DE102020115243A1

DE102020115243A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Steuerung hierfür

Info

Publication number: DE102020115243A1
Application number: DE102020115243.4A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Shiokawa; Shinji Aso
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-09-04
Filing date: 2020-06-09
Publication date: 2021-03-04
Also published as: JP7172918B2; CN112448004A; US20210066736A1; JP2021039897A

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem umfasst einen Controller (20), der eingerichtet ist, eine Auffrischsteuerung auszuführen, um einen Oxidfilm auf einem Katalysator während eines Betriebs einer Brennstoffzelle (10) zu entfernen und einen Impedanzmesser (80), der eingerichtet ist, eine Impedanz der Brennstoffzelle (10) während des Betriebs der Brennstoffzelle (10) zu messen. Der Impedanzmesser (80) führt einen Rechenprozess zur Berechnung der Impedanz aus, indem Messwerte eines Stroms und einer Spannung der Brennstoffzelle (10) in einer vorgegebenen Messzeit verwendet werden, und gibt einen Ersatzwert, der im Voraus vorbereitet wurde, als Impedanz aus, wenn der Start der Auffrischsteuerung während der Messzeit erfasst wird.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zur Steuerung des Brennstoffzellensystems.
Beschreibung des Stands der Technik
Brennstoffzellen haben herkömmlicherweise Katalysatoren zur Förderung einer elektrochemischen Reaktion von Reaktionsgasen. Die Leistung des Katalysators sinkt, wenn ein Oxidfilm auf der Oberfläche des Katalysators erzeugt wird. In Brennstoffzellensystemen kann eine Auffrischsteuerung ausgeführt werden, um den Oxidfilm auf dem Katalysator während eines Betriebs der Brennstoffzelle zu entfernen. Die JP 2012 - 185968 A , zum Beispiel, beschreibt ein Brennstoffzellensystem, das eingerichtet ist, eine Auffrischsteuerung zur Entfernung eines Oxidfilms auf einem Katalysator auszuführen, indem sie einen Strom einer Brennstoffzelle zeitproportional erhöht (sweeping), um eine Spannung der Brennstoffzelle unter ein Oxidations-Reduktions-Potential des Katalysators zu reduzieren.
In einigen Brennstoffzellensystemen wird die Impedanz der Brennstoffzelle gemessen, um einen nassen Zustand in der Brennstoffzelle zu bestimmen. Die Impedanz der Brennstoffzelle wird herkömmlicherweise durch ein Wechselstrom(AC)-Impedanzverfahren gemessen. Bei dem Wechselstromimpedanzverfahren wird die Impedanz berechnet, indem eine Fourier-Transformation für einen Strom und eine Spannung der Brennstoffzelle durchgeführt wird, welche gemessen werden, während ein Wechselstrom durch die Brennstoffzelle fließt.
Kurzfassung der Erfindung
Wenn die oben beschriebene Auffrischsteuerung während des Messens der Impedanz der Brennstoffzelle ausgeführt wird, schwanken die Werte des Stroms und der Spannung der Brennstoffzelle stark. Daher kann das Impedanzmessergebnis stark von einer Impedanz abweichen, die einen tatsächlichen nassen Zustand der Brennstoffzelle angibt.
Die vorliegend erläuterte Technologie kann in den nachfolgenden Aspekten implementiert werden.
(1) Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem des ersten Aspekts umfasst eine Brennstoffzelle, einen Controller und einen Impedanzmesser. Die Brennstoffzelle ist eingerichtet, durch eine elektrochemische Reaktion von Reaktionsgasen Elektrizität zu erzeugen. Die Brennstoffzelle hat einen Katalysator, der eingerichtet ist, die elektrochemische Reaktion zu fördern. Der Controller ist eingerichtet, einen Betrieb der Brennstoffzelle zu steuern und eine Auffrischsteuerung zur Reduzierung einer Spannung der Brennstoffzelle auszuführen, indem er einen Strom der Brennstoffzelle zeitproportional erhöht, um einen Oxidfilm auf dem Katalysator während des Betriebs der Brennstoffzelle zu entfernen. Der Impedanzmesser ist eingerichtet, eine Impedanz der Brennstoffzelle während des Betriebs der Brennstoffzelle zu messen. Der Impedanzmesser ist eingerichtet, einen Rechenprozess zur Berechnung der Impedanz auszuführen, indem er Messwerte des Stroms und der Spannung der Brennstoffzelle in einer vorgegebenen Messzeit verwendet, und einen Ersatzwert, der im Voraus vorbereitet wurde, als Impedanz auszugeben, wenn ein Start der Auffrischsteuerung während der Messzeit erfasst wird.
Gemäß dem Brennstoffzellensystem des ersten Aspekts ist es möglich, einen Einfluss der Auffrischsteuerung auf das Messergebnis der Impedanz der Brennstoffzelle zu reduzieren. So ist es möglich, das Auftreten eines Falles zu reduzieren, in dem das Impedanzmessergebnis von einer Impedanz, die den tatsächlichen nassen Zustand der Brennstoffzelle angibt, aufgrund des Einflusses der Auffrischsteuerung abweicht.
(2) Der Impedanzmesser kann eingerichtet sein, als Ersatzwert einen vorherigen Wert der Impedanz, der durch den Rechenprozess berechnet wurde, bevor die Auffrischsteuerung ausgeführt wurde, auszugeben.
Gemäß dieser Konfiguration wird eine Impedanz als Ersatzwert ausgegeben, welche den nassen Zustand der Brennstoffzelle angibt, unmittelbar bevor die Auffrischsteuerung ausgeführt wird. So ist es möglich, das Auftreten eines Falles zu reduzieren, in dem ein Ersatzwert ausgegeben wird, der von jenem abweicht, der den tatsächlichen nassen Zustand der Brennstoffzelle angibt.
(3) Der Impedanzmesser kann eingerichtet sein, Messwerte des Stroms und der Spannung der Brennstoffzelle zu verwerfen, die während einer Ausführung der Auffrischsteuerung gemessen werden.
Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, das Auftreten eines Falls zu reduzieren, in dem die Impedanz der Brennstoffzelle basierend auf den Messwerten des Stroms und der Spannung der Brennstoffzelle berechnet wird, die von der Auffrischsteuerung beeinfluss werden.
(4) Der Impedanzmesser kann eingerichtet sein, weiterhin den Ersatzwert als Impedanz, berechnet durch den Rechenprozess, auszugeben, bis mindestens eine der nachfolgenden Bedingungen erfüllt ist, nachdem die Auffrischsteuerung ausgeführt wurde: (i) ein stöchiometrisches Verhältnis eines Oxidationsgases, das in den Reaktionsgasen in der Brennstoffzelle umfasst ist, ist größer gleich einem vorgegeben Referenzwert, (ii) eine Strom-Spannungs-Eigenschaft der Brennstoffzelle sinkt nicht unter eine vorgegebene Referenz, und (iii) eine vorgegebene abgelaufene Zeit läuft ab.
Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, das Auftreten eines Falls zu reduzieren, in dem die Impedanz basierend auf den Messwerten des Stroms und der Spannung der Brennstoffzelle berechnet wird, bevor die Brennstoffzelle in einen normalen Zustand wiederhergestellt wird, nachdem die Auffrischsteuerung ausgeführt wurde. Daher ist es möglich, den Einfluss der Auffrischsteuerung auf das Messergebnis der Impedanz der Brennstoffzelle weiter zu reduzieren.
Die vorliegend offenbarte Technologie kann in verschiedenen anderen Aspekten als dem Brennstoffzellensystem implementiert werden. Zum Beispiel kann die hier offenbarte Technologie in verschiedenen Aspekten implementiert werden, wie beispielsweise einem Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems, einem Verfahren zur Erfassung eines nassen Zustands einer Brennstoffzelle, einer Steuervorrichtung oder einem Computerprogramm zur Implementierung dieser Verfahren, und einem nichtflüchtigen Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist. Ferner kann die hier offenbarte Technologie in einem Aspekt wie beispielsweise einem Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem umfasst, implementiert werden.
Figurenliste
Merkmale, Vorteile und technische und gewerbliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile bezeichnen und wobei:

1 ein schematisches Schema ist, das die Konfiguration eines Brennstoffzellensystems darstellt;
2A ein schematisches, funktionales Blockschaltbild eines Impedanzmessers ist;
2B eine schematische Darstellung zur Beschreibung eines Rechenprozesses ist, der von dem Impedanzmesser durchzuführen ist;
2C eine erläuternde Zeichnung ist, die ein Ersatzschaltbild einer Protonenaustauschmembran einer Brennstoffzelle darstellt;
3 eine erläuternde Zeichnung ist, die einen Ablauf einer Systemsteuerung, die in dem Brennstoffzellensystem auszuführen ist, darstellt;
4 eine erläuternde Zeichnung ist, die einen Ablauf eines Impedanzmessprozesses einer ersten Ausführungsform darstellt;
5 eine erläuternde Zeichnung ist, die ein Beispiel für Ausführungszeiten des Impedanzmessprozesses und einer Auffrischsteuerung in der ersten Ausführungsform darstellt;
6 eine erläuternde Zeichnung ist, die einen Ablauf eines Impedanzmessprozesses einer zweiten Ausführungsform darstellt;
7 eine erläuternde Zeichnung ist, die einen Prozess eines Verwerfens von Messdaten, die in Pufferbereichen gespeichert sind, darstellt;
8 eine erläuternde Zeichnung ist, die einen Ablauf eines Impedanzmessprozesses einer dritten Ausführungsform darstellt;
9A eine erläuternde Zeichnung ist, die eine Veränderung eines Stroms der Brennstoffzelle und eine Veränderung eines stöchiometrischen Verhältnisses eines Oxidationsgases darstellt, während die Auffrischsteuerung ausgeführt wird; und
9B eine erläuternde Zeichnung ist, die eine Veränderung einer Strom-Spannungs-Eigenschaft der Brennstoffzelle durch die Auffrischsteuerung darstellt.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
Erste Ausführungsform
1 ist ein schematisches Schema, das die Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 100 einer ersten Ausführungsform darstellt. Das Brennstoffzellensystem 100 der ersten Ausführungsform ist zum Beispiel in einem Fahrzeug montiert. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst eine Brennstoffzelle 10, die eingerichtet ist, Elektrizität zu erzeugen, indem ihr ein Brenngas und ein Oxidationsgas als Reaktionsgase zugeführt werden. Das Brennstoffzellensystem 100 führt einer Last 200, die in dem Fahrzeug angebracht ist, durch die Brennstoffzelle 10 erzeugte elektrische Leistung zu. Beispiele für die Last 200 umfassen einen elektrischen Antriebsmotor, der als Antriebsquelle des Fahrzeugs dient, elektrische Ausstattung und Hilfseinrichtungen des Fahrzeugs und Verbindungsteile zur Verwendung bei einer externen Leistungszufuhr.
Die Brennstoffzelle 10 ist eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle, die eingerichtet ist, Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidationsgas zu erzeugen. In der ersten Ausführungsform ist das Brenngas Wasserstoff, und das Oxidationsgas ist Sauerstoff. Die Brennstoffzelle 10 weist eine Stapelstruktur auf, die eine Mehrzahl an gestapelten Einheitszellen 11 umfasst. Jede Einheitszelle 11 ist ein Element zur Erzeugung von elektrischer Leistung, welches eingerichtet ist, nur Elektrizität zu erzeugen, und umfasst eine Membranelektrodenanordnung und zwei Separatoren. Die Membranelektrodenanordnung ist ein Generator mit Elektroden, die auf jeweiligen Seiten einer Protonenaustauschmembran angeordnet sind. Zwischen den Separatoren ist die Membranelektrodenanordnung sandwichartig aufgenommen. Die Protonenaustauschmembran ist eine Polymerelektrolytmembran, die in einem nassen Zustand, in dem Feuchtigkeit darin enthalten ist, eine ausgezeichnete Protonenleitfähigkeit aufweist. Katalysatoren 12 sind in den Elektroden angeordnet, um die elektrochemische Reaktion der Reaktionsgase zu fördern. Beispiele für den Katalysator 12 umfassen Platin (Pt). Auf eine Darstellung der Komponenten jeder Einheitszelle 11 wird verzichtet.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Controller 20, der eingerichtet ist, einen Betrieb der Brennstoffzelle 10 zu steuern. Der Controller 20 ist eine elektronische Steuereinheit (ECU), die mindestens einen Prozessor und einen Hauptspeicher umfasst. Der Controller 20 übt verschiedene Funktionen aus, um den Betrieb der Brennstoffzelle 10 zu steuern, indem der Prozessor Befehle und Programme ausführt, die aus dem Hauptspeicher ausgelesen werden. Mindestens ein Teil der Funktionen des Controllers 20 können durch eine Hardwareschaltung implementiert werden.
Der Controller 20 dient als Auffrischsteuerungsausführeinrichtung 21. Die Auffrischsteuerungsausführeinrichtung 21 führt eine Auffrischsteuerung aus, um die Leistung der Katalysatoren 12 der Brennstoffzelle 10 während des Betriebs der Brennstoffzelle 10 wiederherzustellen. Die Auffrischsteuerung wird später beschrieben.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst eine Brenngaszufuhreinheit 30, eine Brenngas-Zirkulations-Ablasseinheit 40 und eine Oxidationsgas-Zufuhr-Ablasseinheit 50 als Komponenten, die eingerichtet sind, Reaktionsgase an die Brennstoffzelle 10 zuzuführen und aus dieser abzulassen.
Die Brenngaszufuhreinheit 30 führt einer Anode der Brennstoffzelle 10 ein Brenngas zu. Die Brenngaszufuhreinheit 30 umfasst einen Tank 31, eine Brenngasleitung 32, ein Hauptabsperrventil 33, einen Regler 34 und eine Zufuhrvorrichtung 35. Der Tank 31 speichert ein Hochdruckbrenngas. Die Brenngasleitung 32 verbindet den Tank 31 und einen Anodeneinlass der Brennstoffzelle 10. Das Hauptabsperrventil 33, der Regler 34 und die Zufuhrvorrichtung 35 sind in der Brenngasleitung 32 in dieser Reihenfolge von einer Stromaufwärtsseite angeordnet, welche die Seite des Tanks 31 ist.
Das Hauptabsperrventil 33 ist ein Magnetventil, das von dem Controller 20 gesteuert geöffnet und geschlossen werden soll. Das Hauptabsperrventil 33 steuert einen Strom des Brenngases aus dem Tank 31 heraus. Der Regler 34 ist ein Druckreduzierventil, das eingerichtet ist, einen Druck in der Brenngasleitung 32 auf einer Stromaufwärtsseite der Zufuhrvorrichtung 35 gesteuert durch den Controller 20 anzupassen. Die Zufuhrvorrichtung 35 wird in regelmäßigen Abständen geöffnet oder geschlossen, um das Brenngas an die Brennstoffzelle 10 zu liefern. Beispiele für die Zufuhrvorrichtung 35 umfassen eine Einspritzvorrichtung, welche ein elektromagnetisch angetriebenes Auf-/Zu-Ventil ist, das in jeder voreingestellten Antriebsperiode geöffnet oder geschlossen wird. Der Controller 20 passt die Menge an Brenngas an, die der Brennstoffzelle 10 zugeführt werden soll, indem die Antriebsperiode der Zufuhrvorrichtung 35 gesteuert wird.
Die Brenngas-Zirkulations-Ablasseinheit 40 zirkuliert, durch die Brennstoffzelle 10, ein Brenngas, das in einem Abgas enthalten ist, das aus der Anode der Brennstoffzelle 10 abgelassen wird, und lässt Abflusswasser, das in dem Abgas enthalten ist, aus dem Brennstoffzellensystem 100 nach außen ab. Die Brenngas-Zirkulations-Ablasseinheit 40 umfasst ein Abgasrohr 41, einen Gas-Flüssigkeitsabscheider 42, ein Zirkulationsrohr 43, eine Zirkulationspumpe 44, ein Entleerungsrohr 45 und ein Entleerungsventil 46. Das Abgasrohr 41 ist mit einem Anodenauslass der Brennstoffzelle 10 und dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 42 verbunden und leitet ein anodenseitiges Abgas an den Gas-Flüssigkeitsabscheider 42. Das anodenseitige Abgas enthält Abflusswasser und ein Brenngas, das nicht zur Leistungserzeugung in der Anode verwendet wird.
Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 42 scheidet eine Gaskomponente und eine Flüssigkomponente von dem Abgas ab, das durch das Abgasrohr 41 in den Gas-Flüssigkeitsabscheider 42 strömt, und speichert die Flüssigkomponente als Abflusswasser in einem flüssigen Zustand. Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 42 ist mit dem Zirkulationsrohr 43 verbunden. Das Zirkulationsrohr 43 verbindet den Gas-Flüssigkeitsabscheider 42 und einen Teil der Brenngasleitung 32 auf einer Stromabwärtsseite der Zufuhrvorrichtung 35. Das Zirkulationsrohr 43 ist mit der Zirkulationspumpe 44 ausgebildet. Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 42 leitet die aus dem Abgas abgeschiedene Gaskomponente an das Zirkulationsrohr 43. Die Zirkulationspumpe 44 liefert die Gaskomponente, die an das Zirkulationsrohr 43 geleitet wurde und die das Brenngas enthält, an die Brenngasleitung 32.
Das Entleerungsrohr 45 ist mit einem Reservoir des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 42 verbunden, das Abflusswasser speichert. Das Entleerungsrohr 45 ist mit dem Entleerungsventil 46 ausgebildet, das durch den Controller 20 gesteuert geöffnet und geschlossen werden soll. Der Controller 20 schließt normalweise das Entleerungsventil 46 und öffnet das Entleerungsventil 46 zu einer vorgegebenen Zeit, um das in dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 42 gespeicherte Abflusswasser aus dem Brennstoffzellensystem 100 durch das Entleerungsrohr 45 nach draußen zu abzulassen.
Die Oxidationsgas-Zufuhr-Ablasseinheit 50 führt der Brennstoffzelle 10 Sauerstoff als Oxidationsgas zu. Sauerstoff ist in Luft enthalten, die beispielsweise durch einen vorderen Grill des Fahrzeugs eingesaugt wird. Die Oxidationsgas-Zufuhr-Ablasseinheit 50 umfasst ein Zufuhrrohr 51, einen Kompressor 52 und ein Auf-/Zu-Ventil 53. Das Zufuhrrohr 51 ist mit einem Kathodeneinlass der Brennstoffzelle 10 verbunden. Der Kompressor 52 und das Auf-/Zu-Ventil 53 sind in dem Zufuhrrohr 51 ausgebildet. Der Kompressor 52 verdichtet Ansaugluft in ein verdichtetes Gas und liefert das komprimierte Gas an die Kathode der Brennstoffzelle 10 durch das Zufuhrrohr 51. Das Auf-/Zu-Ventil 53 ist normalerweise geschlossen und wird durch einen Druck des komprimierten Gases geöffnet, das von dem Kompressor 52 geliefert wird, um es dem komprimiertem Gas zu erlauben, in die Brennstoffzelle 10 zu strömen.
Die Oxidationsgas-Zufuhr-Ablasseinheit 50 lässt ein Abgas, das von der Kathode der Brennstoffzelle 10 abgelassen wird, aus dem Brennstoffzellensystem 100 nach außen ab. Die Oxidationsgas-Zufuhr-Ablasseinheit 50 umfasst ein Abgasrohr 56 und ein Druckregelventil 58. Das Abgasrohr 56 ist mit einem Kathodenauslass verbunden und leitet das Abgas, das aus der Kathode der Brennstoffzelle 10 abgelassen wird, aus dem Fahrzeug nach außen. Das Druckregelventil 58 ist in dem Abgasrohr 56 ausgebildet und passt gesteuert durch den Controller 20 einen Gegendruck auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle 10 an.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen ersten Wandler 61, einen Wechselrichter 63, einen zweiten Wandler 65 und eine Sekundärbatterie 66 als Komponenten, die eingerichtet sind, elektrische Leistung zu steuern, welche der Last 200 zugeführt werden soll. Die Brennstoffzelle 10 ist mit einem Eingabeanschluss des ersten Wandlers 61 über erste, Gleichstrom (DC) leitende Drähte L1 verbunden. Der erste Wandler 61 erhöht eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 10 gesteuert durch den Controller 20.
Ein Ausgangsanschluss des ersten Wandlers 61 ist mit einem Gleichstrom- bzw. DC-Anschluss des Wechselrichters 63 über zweite DC leitende Drähte L2 verbunden. Die Last 200 ist mit einem AC-Anschluss des Wechselrichters 63 verbunden. Der Wechselrichter 63 führt eine DC-AC-Umwandlung aus.
Die Sekundärbatterie 66 ist mit den zweiten, Gleichstrom leitenden Drähten L2 über den zweiten Wandler 65 verbunden. Beispiele für die Sekundärbatterie 66 umfassen eine Lithiumionenbatterie. Die Sekundärbatterie 66 speichert einen Teil der elektrischen Leistung, die von der Brennstoffzelle 10 erzeugt wird, und regenerative elektrische Leistung, die in der Last 200 erzeugt wird. Die Sekundärbatterie 66 fungiert als Quelle für elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems 100 zusammen mit der Brennstoffzelle 10 gesteuert durch den Controller 20.
Der Controller 20 steuert die zwei Wandler 61 und 65, um einen Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 10 zu steuern sowie ein Laden und Entladen der Sekundärbatterie 66. Ferner steuert der Controller 20 Dreiphasenwechselstrom-Frequenzen und Spannungen, die der Last 200 zugeführt werden sollen, durch Verwendung des Wechselrichters 63.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ferner einen Impedanzmesser 80. Der Impedanzmesser 80 misst die Impedanz der Brennstoffzelle 10 durch ein Wechselstromimpedanzverfahren während des Betriebs der Brennstoffzelle 10. In der ersten Ausführungsform misst der Impedanzmesser 80 die Impedanz jeder Einheitszelle 11 der Brennstoffzelle 10. Der Impedanzmesser 80 gibt ein Impedanzmessergebnis an den Controller 20 aus. Der Controller 20 erfasst einen nassen Zustand jeder Protonenaustauschmembran der Brennstoffzelle 10 basierend auf dem Impedanzwert, der von dem Impedanzmesser 80 ausgegeben wird, und steuert den Betrieb basierend auf dem nassen Zustand. Der Impedanzmesser 80 kann in dem ersten Wandler 61 integriert sein.
2A ist ein schematisches funktionales Blockschaltbild des Impedanzmessers 80. Der Impedanzmesser 80 umfasst eine Signalüberlagerungseinrichtung 82, einen Strommesser 84a, einen Spannungsmesser 84b, einen Speicher 86 und einen Rechner 88. Die Signalüberlagerungseinrichtung 82 umfasst eine Wechselstromzufuhr und überlagert einen Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 10 mit einem sinusförmigen Wechselstrom während des Betriebs der Brennstoffzelle 10. Zum Beispiel kann die Frequenz des sinusförmigen Wechselstroms etwa 0,1 bis 1,5 KHz betragen.
Der Strommesser 84a misst einen Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 10. Der Spannungsmesser 84b misst eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 10. Der Speicher 86 speichert Messergebnisse von dem Strommesser 84a und dem Spannungsmesser 84b. In der ersten Ausführungsform speichert der Speicher 86 ein Rechenergebnis von dem Rechner 88 zur Verwendung als Ersatzwert, der später beschrieben wird.
Der Rechner 88 führt einen Rechenprozess zur Berechnung einer Impedanz aus, indem er Messwerte eines Stroms und einer Spannung der Brennstoffzelle 10 verwendet, die in dem Speicher 86 gespeichert sind. Der Rechner 88 gibt die Impedanz, die durch den Rechenprozess berechnet wurde, an den Controller 20 aus. Der Rechner 88 kann einen Ersatzwert, der in dem Speicher 86 gespeichert ist, anstelle der Impedanz, die durch den Rechenprozess berechnet wird, an den Controller 20 ausgeben, nachdem die Auffrischsteuerungsausführeinrichtung 21 die Auffrischsteuerung ausgeführt hat; Details werden allerdings später beschrieben.
2B ist eine schematische Darstellung zur Beschreibung des Rechenprozesses, der von dem Rechner 88 des Impedanzmessers 80 auszuführen ist. Während die Signalüberlagerungseinrichtung 82 den Wechselstrom während des Betriebs der Brennstoffzelle 10 überlagert, misst der Strommesser 84a und der Spannungsmesser 84b einen Strom und eine Spannung der Brennstoffzelle 10 in vorgegebenen Messperioden und der Speicher 86 speichert jeden Strom und jede Spannung in Zeitreihen. Strommessdaten DTi, welche ein Messergebnis von dem Strommesser 84a sind, werden in einem Stromwertpufferbereich BFi des Speichers 86 gespeichert. Spannungsmessdaten DTv, welche ein Messergebnis von dem Spannungsmesser 84b sind, werden in einem Spannungswertpufferbereich BFv des Speichers 86 gespeichert. Der Speicher 86 speichert Messdatenelemente DTi und DTv für mindestens eine Messzeit Tm, die später beschrieben wird, und alte Datenelemente werden sequentiell überschrieben.
In jeder vorgegeben Impedanzmessperiode berechnet der Rechner 88 eine Impedanz Zm, indem er Messwerte des Stroms und der Spannung der Brennstoffzelle 10 während einer vorgegebenen Länge der Messzeit Tm bis zu einem aktuellen Zeitpunkt verwendet. Die Messzeit Tm ist eine Zeit, die mehreren Perioden bis zu mehreren zehn Perioden des Wechselstroms entspricht, der von der Signalüberlagerungseinrichtung 82 überlagert wird. Der Rechner 88 berechnet eine Impedanz Zm, indem er eine Fourier-Transformation für den Strom der Brennstoffzelle 10, der während der Messzeit Tm in den Strommessdaten DTi enthalten ist, und die Spannung, die während der Messzeit Tm in den Spannungsmessdaten DTv enthalten ist, durchführt, und eine Messsollfrequenzkomponente extrahiert. So kann eine Stromimpedanz Zm der Brennstoffzelle 10 gemessen werden, während ein Einfluss von Veränderungen des Stroms und der Spannung während eines normalen Betriebs der Brennstoffzelle 10 reduziert wird. Die Messzeit Tm kann als eine Messzeit der Impedanz Zm betrachtet werden.
2C ist eine erläuternde Zeichnung, die ein Ersatzschaltbild der Protonenaustauschmembran der Brennstoffzelle 10 darstellt. Die Protonenaustauschmembran des Brennstoffzellensystems 100 wird durch ein Ersatzschaltbild dargestellt, in der ein Reaktionswiderstand Tb und eine elektrische Doppelschicht C parallel geschaltet verbunden sind und mit einem nachgeschalteten Lösungswiderstand Ra verbunden sind. Die Impedanz Zm, die durch den Rechenprozess berechnet wird, der von dem Rechner 88 durchgeführt wird, zeigt den Widerstand der Protonenaustauschmembran an, und entspricht einem Widerstandswert des Lösungswiderstands Ra.
3 ist eine erläuternde Zeichnung, die einen Ablauf einer Systemsteuerung darstellt, die in dem Brennstoffzellensystem 100 gesteuert durch den Controller 20 auszuführen ist. In dieser Systemsteuerung werden ein Prozess eines Schritts S10, Prozesse aus Schritten S20 bis S40 und Prozesse aus Schritten S50 bis S80 parallel in ihren Steuerperioden während des Betriebs der Brennstoffzelle 10 wiederholt.
In Schritt S10 veranlasst der Impedanzmesser 80 den Strommesser 84a und den Spannungsmesser 84b, einen Strom und eine Spannung der Brennstoffzelle 10 zu messen, während die Signalüberlagerungseinrichtung 82 der Brennstoffzelle 10 einen Wechselstrom zuführt, und zeichnet Messwerte in dem Speicher 86 auf. Schritt S10 wird in jeder vorgegebenen Messperiode, die oben beschrieben ist, im gesamten Betrieb der Brennstoffzelle 10 wiederholt.
Die Prozesse der Schritte S20 bis S40 werden in jeder oben beschriebenen Impedanzmessperiode wiederholt. In der ersten Ausführungsform ist die Länge der Impedanzmessperiode, in der ein Impedanzmessprozess aus Schritt S20 ausgeführt wird, größer gleich der Messzeit Tm. In anderen Ausführungsformen kann die Länge der Impedanzmessperiode kleiner gleich der Messzeit Tm sein.
In Schritt S20 veranlasst der Controller 20 den Impedanzmesser 80, den Impedanzmessprozess auszuführen und bezieht eine Stromimpedanz der Brennstoffzelle 10. Der Impedanzmessprozess wird später beschrieben.
In Schritt S30 erfasst der Controller 20 die Nässe der Protonenaustauschmembran der Brennstoffzelle 10, indem er die Impedanz verwendet, die von dem Impedanzmesser 80 in Schritt S20 ausgegeben wurde. Der Controller 20 speichert in seinem (nicht dargestellten) Speicher ein Kennfeld, das eine Beziehung definiert, in der die Impedanz der Brennstoffzelle 10 und die Nässe der Protonenaustauschmembran eindeutig miteinander assoziiert sind. Der Controller 20 bezieht sich auf das Kennfeld, um die Nässe der Protonenaustauschmembran relativ zu der in Schritt S20 gemessenen Impedanz zu erhalten.
In Schritt S40 steuert der Controller 20 den Betrieb basierend auf der Nässe der Protonenaustauschmembran, die in Schritt S30 erfasst wird. Als Betriebssteuerung aus Schritt S40 führt der Controller 20 zum Beispiel einen Beschränkungsprozess aus, um den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 10 zu beschränken, wenn die Nässe der Protonenaustauschmembran niedriger als ein vorgegebener Schwellwert ist. Als Betriebssteuerung aus Schritt S40 kann der Controller 20 zum Beispiel einen Prozess zur Reduzierung einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 10 ausführen, um die Nässe der Protonenaustauschmembran zu erhöhen, während die Nässe der Protonenaustauschmembran sinkt. Als Betriebssteuerung aus Schritt S40 kann der Controller 20 kann eine Steuerung ausführen, um eine Ausführungszeit eines Spülprozesses zur Spülung der Brennstoffzelle 10 zu erhöhen, während die Nässe der Protonenaustauschmembran steigt.
Schritte S50 bis S80 sind Prozesse, die von der Auffrischsteuerungsausführeinrichtung 21 während des Betriebs der Brennstoffzelle 10 zu wiederholen sind. In Schritt S50 bestimmt die Auffrischsteuerungsausführeinrichtung 21, ob eine Auffrischsteuerungsausführbedingung erfüllt ist. Zum Beispiel bestimmt die Auffrischsteuerungsausführeinrichtung 21, dass die Auffrischsteuerungsausführbedingung erfüllt ist, wenn eine vorgegebene Zeit ab einer vorherigen Ausführung der Auffrischsteuerung abgelaufen ist. Die Auffrischsteuerungsausführeinrichtung 21 kann auch dann bestimmen, dass die Auffrischsteuerungsausführbedingung erfüllt ist, wenn von einem intermittierenden Betrieb in den normalen Betrieb geschaltet wird. Der intermittierende Betrieb ist ein Betrieb zur Reduzierung der Menge einer Oxidationsgaszufuhr im Vergleich zu jener in dem normalen Betrieb, indem der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 10 auf null eingestellt bzw. gesetzt wird, und das Oxidationsgas intermittierend der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird.
Die Auffrischsteuerungsausführeinrichtung 21 wiederholt Schritt S50 und wartet, bis die Auffrischsteuerungsausführbedingung erfüllt ist. Wenn in Schritt S50 eine Bestimmung getroffen wird, dass die Auffrischsteuerungsausführbedingung erfüllt ist, setzt die Auffrischsteuerungsausführeinrichtung 21 ein Flag, das eine Auffrischsteuerungsstartaufzeichnung in Schritt S60 angibt. Das Flag ist an einer vorgegebenen Adresse in einem (nicht dargestellten) Speicher des Controllers 20 gespeichert. In Schritt S70 führt die Auffrischsteuerungsausführeinrichtung 21 die Auffrischsteuerung aus.
In der Auffrischsteuerung erhöht die Auffrischsteuerungsausführeinrichtung 21 zeitproportional den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 10, um die Spannung der Brennstoffzelle 10 unter ein Oxidations-Reduktions-Potential des Katalysators 12 zu reduzieren, und reduziert dann umgehend den Strom der Brennstoffzelle 10, um eine Spannung von vor der Auffrischsteuerung wiederherzustellen. In der Auffrischsteuerung beträgt eine Zeit, in der die Spannung vorübergehend reduziert wird, zum Beispiel 50 bis 300 ms. Durch die Auffrischsteuerung kann ein Oxidfilm auf dem Katalysator 12 entfernt werden, und die Leistung des Katalysators 12 kann wiederhergestellt werden. Nachdem die Auffrischsteuerung in Schritt S70 ausgeführt wurde, initialisiert die Auffrischsteuerungsausführeinrichtung 21 das Flag in Schritt S80.
4 ist eine erläuternde Zeichnung, die einen Ablauf des Impedanzmessprozesses von Schritt S20 aus 3 darstellt. In Schritt S110 erfasst der Impedanzmesser 80, ob die Auffrischsteuerung während einer unmittelbar vorausgehenden Messzeit Tm gestartet wurde. Der Impedanzmesser 80 überprüft, ob die Auffrischsteuerungsausführeinrichtung 21 ein Flag setzt, das eine Auffrischsteuerungsstartaufzeichnung anzeigt. Wenn das Flag gesetzt ist, bestimmt der Impedanzmesser 80, dass die Auffrischsteuerung während der unmittelbar vorausgehenden Messzeit Tm ausgeführt wird. Wie oben beschrieben, wird das Flag unmittelbar vor dem Start der Auffrischsteuerung gesetzt, und daher wird eine Bestimmung getroffen, dass die Auffrischsteuerung während der Messzeit Tm ausgeführt wird, selbst falls die Auffrischsteuerung zur Zeit einer Bestimmung in Schritt S110 ausgeführt wird.
Wenn der Start der Auffrischsteuerung während der Messzeit Tm in Schritt S110 nicht erfasst wird, führt der Impedanzmesser 80 einen Prozess aus Schritt S120 aus. In Schritt S120 berechnet der Rechner 88 des Impedanzmessers 80 eine Impedanz Zm unter Verwendung von Messwerten eines Stroms und einer Spannung der Brennstoffzelle 10, die von dem Strommesser 84a und dem Spannungsmesser 84b während der unmittelbar vorausgehenden Messzeit Tm gemessen wurden, wie oben beschrieben.
In Schritt S130 gibt der Impedanzmesser 80 die Impedanz Zm, die durch den Rechenprozess aus Schritt S120 berechnet wurde, an den Controller 20 aus. In der ersten Ausführungsform speichert der Impedanzmesser 80 die Impedanz Zm an einer vorgegebenen Adresse in dem Speicher 86 in Schritt S130. So wird der Impedanzmessprozess aus Schritt S20 aus 3 beendet. Der Controller 20 steuert den Betrieb in Schritte S30 bis S40 aus 3, indem er die Impedanz Zm verwendet, die von dem Impedanzmesser 80 ausgegeben wurde.
Wenn der Start der Auffrischsteuerung während der Messzeit Tm in Schritt S110 erfasst wird, gibt der Impedanzmesser 80 in Schritt S140 einen Ersatzwert, der im Voraus vorbereitet wurde, an den Controller 20 als Ist-Wert der Impedanz aus. Der Ersatzwert ist ein vorgegebener Wert, der eine Impedanz während des normalen Betriebs der Brennstoffzelle 10 angibt.
Der „normale Betrieb der Brennstoffzelle 10“ bedeutet einen Betrieb zur Erzeugung von Elektrizität in der Brennstoffzelle 10 in einer Menge, die von einer elektrischen Soll-Leistung abhängig ist, die von dem Brennstoffzellensystem 100 an die Last 200 ausgegeben werden soll. Daher umfasst der normale Betrieb der Brennstoffzelle 10 nicht den Betrieb der Brennstoffzelle 10 während der Ausführung der Auffrischsteuerung.
In der ersten Ausführungsform ist der Ersatzwert ein vorheriger Wert, der in einer vorherigen Impedanzmessperiode von dem Impedanzmesser 80 durch den Rechenprozess aus Schritt S120 berechnet wurde und in Schritt S130 in den Speicher 86 gespeichert wurde. So wird der Impedanzmessprozess aus Schritt S20 aus 3 beendet und der Controller 20 steuert den Betrieb in den Schritten S30 bis S40 aus 3, indem er den von dem Impedanzmesser 80 ausgegebenen Ersatzwert verwendet.
5 ist ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel für Ausführungszeiten des Impedanzmessprozesses und der Auffrischsteuerung darstellt. In 5 bedeutet „AN“, dass ein Prozess ausgeführt wird, und „AUS“ bedeutet, dass der Prozess nicht ausgeführt wird. In diesem Beispiel werden die Impedanzmessprozesse P0, P1, P2, P3 und P4 in jeweiligen Messperioden MC ausgeführt. In diesem Beispiel wird die Auffrischsteuerung einmal zwischen den Impedanzmessprozessen P2 und P3 ausgeführt.
In jedem der Impedanzmessprozessen P0, P1 und P2 wird die Auffrischsteuerung während einer unmittelbar vorausgehenden Messzeit Tm nicht ausgeführt, und Messwerte eines Stroms und einer Spannung der Brennstoffzelle 10 während der Messzeit Tm umfassen keine Messwerte während einer Ausführung der Auffrischsteuerung. Wie in den Schritte S120 bis S130 aus 4 beschrieben, werden Impedanzen Zm0, Zm1 und Zm2 berechnet, indem die während den jeweiligen Messzeiten Tm gemessenen Messwerte des Stroms und der Spannung der Brennstoffzelle 10 verwendet werden, und werden an den Controller 20 ausgegeben.
In dem Impedanzmessprozess P3 wird die Auffrischsteuerung während einer unmittelbar vorausgehenden Messzeit Tm ausgeführt. Wie in Schritt S140 aus 4 beschrieben, wird ein Ersatzwert Zr für den Controller 20 als Impedanz Zm3 eingestellt, die ein Messergebnis in dem Impedanzmessprozess P3 ist, und an den Controller 20 ausgegeben. In der ersten Ausführungsform ist der Ersatzwert Zr ein vorheriger Wert, das heißt, die Impedanz Zm2, die in dem Impedanzmessprozess P2 ausgegeben wurde.
In dem Impedanzmessprozess P4 wird die Auffrischsteuerung während einer unmittelbar vorausgehenden Messzeit Tm nicht ausgeführt, und Messwerte eines Stroms und einer Spannung der Brennstoffzelle 10 während der Messzeit Tm umfassen keine Messwerte während einer Ausführung der Auffrischsteuerung. Ähnlich wie bei den Impedanzmessprozessen P0, P1 und P2 wird eine Impedanz Zm4 unter Verwendung der Messwerte des Stroms und der Spannung der Brennstoffzelle 10 berechnet, die während der unmittelbar vorausgehenden Messzeit Tm gemessen wurden, und an den Controller 20 ausgegeben.
Während der Ausführung der Auffrischsteuerung, schwanken der Strom und die Spannung der Brennstoffzelle 10 stark innerhalb einer kurzen Zeit im Vergleich zu dem normalen Betrieb der Brennstoffzelle 10. Die Schwankung kann als Rauschen auftreten, das nicht vollständig durch die Fourier-Transformation entfernt wird, wenn die Impedanz berechnet wird. Falls die Impedanz unter Verwendung von Messwerten des Stroms und der Spannung der Brennstoffzelle 10 während der Ausführung der Auffrischsteuerung berechnet wird, kann der Wert der Impedanz von dem Wert abweichen, der den nassen Zustand der Protonenaustauschmembran der Brennstoffzelle 10 angibt.
Gemäß dem Brennstoffzellensystem 100 der ersten Ausführungsform, wird, wenn die Auffrischsteuerung während der Impedanzmesszeit Tm gestartet wird, der Ersatzwert, der die Impedanz während des normalen Betriebs der Brennstoffzelle 10 angibt, an den Controller 20 ausgegeben. Diese Konfiguration reduziert einen Einfluss der Auffrischsteuerung auf das Messergebnis der Impedanz der Brennstoffzelle 10, das von dem Impedanzmesser 80 an den Controller 20 ausgegeben werden soll, wodurch das Auftreten eines Falls reduziert wird, in dem das Impedanzmessergebnis aufgrund des Einflusses der Auffrischsteuerung von einer Impedanz abweicht, die einen tatsächlichen nassen Zustand der Brennstoffzelle angibt. Daher ist es möglich, das Auftreten eines Falls zu reduzieren, in dem der Controller 20 nicht auf geeignete Weise den Betrieb der Brennstoffzelle 10 basierend auf der Impedanz der Brennstoffzelle 10 steuert, weil der nasse Zustand der Brennstoffzelle 10 nicht richtig festgestellt wird. Zu einem Zeitpunkt, an dem die Auffrischsteuerung abgeschlossen ist, das heißt, wenn die Impedanz der Brennstoffzelle 10 gemessen werden kann, kann der Controller 20 erneut damit beginnen, den Strom und die Spannung der Brennstoffzelle 10 innerhalb einer vorgegebenen Messperiode zur Verwendung in der Berechnung der Impedanz zu messen.
Gemäß dem Brennstoffzellensystem 100 der ersten Ausführungsform gibt der Impedanzmesser 80 an den Controller 20 als Ersatzwert den vorherigen Wert der Impedanz aus, welcher durch den Rechenprozess berechnet wird, bevor die Auffrischsteuerung ausgeführt wird. Daher wird eine Impedanz, die den nassen Zustand der Protonenaustauschmembran der Brennstoffzelle 10 angibt, unmittelbar bevor die Auffrischsteuerung ausgeführt wird, als Ersatzwert ausgegeben. Diese Konfiguration reduziert das Auftreten eines Falls, in dem eine Impedanz mit einem Wert, der von jenem abweicht, der den tatsächlichen nassen Zustand der Protonenaustauschmembran der aktuellen Brennstoffzelle 10 angibt, als Ersatzwert ausgegeben wird.
Zweite Ausführungsform
6 ist eine erläuternde Zeichnung, die einen Ablauf eines Impedanzmessprozesses einer zweiten Ausführungsform darstellt. Der Impedanzmessprozess der zweiten Ausführungsform wird in einem Brennstoffzellensystem 100 ausgeführt, das eine ähnliche Konfiguration hat wie jene, die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist. Der Impedanzmessprozess der zweiten Ausführungsform ist im Wesentlichen derselbe wie der Impedanzmessprozess der ersten Ausführungsform, außer, dass ein Prozess eines Schritts S150 hinzugefügt wird. In der zweiten Ausführungsform ist die Messzeit Tm länger als die Impedanzmessperiode.
Details für den Prozess aus Schritt S150 werden unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. In 7 ändert sich eine schematische Darstellung in den Pufferbereichen BFi und BFv des Speichers 86 vor und nachdem Schritt S150 zu dem Zeitdiagramm aus 5 hinzugefügt wird.
Nachdem in Schritt S140 ein Ersatzwert an den Controller 20 ausgegeben wurde, verwirft der Impedanzmesser 80 in Schritt S150 mindestens Datenelemente, die während der Ausführung der Auffrischsteuerung gemessen wurden, von den Messdatenelementen DTi und DTv, die in den Pufferbereichen BFi und BFv des Speichers 86 gespeichert sind. In der zweiten Ausführungsform werden Messdatenelemente DTi und DTv vor einer Zeit tr, zu der die Auffrischsteuerung abgeschlossen ist, aus den Pufferbereichen BFi und BFv, wie in 7 dargestellt, gelöscht. In dem Impedanzmessprozess nach dem Prozess aus Schritt S150 berechnet der Rechner 88 eine Impedanz, indem er nur Messwerte eines Stroms und einer Spannung der Brennstoffzelle 10 verwendet, die gemessen werden, nachdem die Auffrischsteuerung abgeschlossen ist, wie in 7 gezeigt. In anderen Ausführungsformen können nur Messdatenelemente DTi und DTv, die während der Ausführung der Auffrischsteuerung bezogen wurden, aus den Pufferbereichen BFi und BFv gelöscht werden, und Messdatenelemente DTi und DTv vor dem Start der Auffrischsteuerung können in den Pufferbereichen BFi und BFv verbleiben.
Gemäß dem Impedanzmessprozess der zweiten Ausführungsform werden die Messwerte des Stroms und der Spannung der Brennstoffzelle 10, welche von der Auffrischsteuerung beeinflusst werden, aus den Pufferbereichen BFi und BFv des Speichers 86 gelöscht. Diese Konfiguration reduziert das Auftreten eines Falls weiter, in dem eine Impedanz unter Verwendung der Messwerte berechnet wird, die von der Auffrischsteuerung beeinflusst werden. Ferner kann das Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform verschiedene Aktionen und Effekte erzielen, die den in der ersten Ausführungsform beschriebenen ähnlich sind.
Dritte Ausführungsform
8 ist eine erläuternde Zeichnung, die einen Ablauf eines Impedanzmessprozesses einer dritten Ausführungsform darstellt. Der Impedanzmessprozess der dritten Ausführungsform wird in einem Brennstoffzellensystem 100 ausgeführt, das eine ähnliche Konfiguration hat wie jene, die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist. Der Impedanzmessprozess der dritten Ausführungsform ist im Wesentlichen gleich dem Impedanzmessprozess der ersten Ausführungsform, außer, dass ein Bestimmungsprozess aus Schritt S115 hinzugefügt wird.
Ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform bestimmt der Impedanzmesser 80 in Schritt S110, ob eine Aufzeichnung des Starts der Auffrischsteuerung während einer unmittelbar vorausgehenden Messzeit Tm vorhanden ist. Wenn die Auffrischsteuerungsstartaufzeichnung erfasst wird, gibt der Impedanzmesser 80 in Schritt S140 einen Ersatzwert an den Controller 20 aus.
Wenn die Auffrischsteuerungsstartaufzeichnung nicht erfasst wird, bestimmt der Impedanzmesser 80 in Schritt S115, ob eine Impedanz gemessen werden kann. Der Impedanzmesser 80 bestimmt, dass eine Impedanz gemessen werden kann, wenn eine der folgenden Bedingungen (i) bis (iii) erfüllt ist. Die nachfolgenden Bedingungen (i) bis (iii) sind vorgesehen, um sicherzustellen, dass die Brennstoffzelle 10 nicht von der Auffrischsteuerung beeinflusst wird. Das heißt, die Bedingungen (i) bis (iii) können als Bedingungen zur Bestimmung betrachtet werden, ob die Brennstoffzelle 10 nach der Auffrischsteuerung in den Zustand im normalen Betrieb wiederhergestellt ist, in dem die Impedanz normal gemessen werden kann.
Bedingungen zur Bestimmung, dass Impedanz gemessen werden kann

(i) Das stöchiometrisches Verhältnis des Reaktionsgases in der Brennstoffzelle 10 ist größer gleich einem vorgegeben Referenzwert.
(ii) Die Strom-Spannungs-Eigenschaft der Brennstoffzelle 10 wurde nicht unter eine vorgegebene Referenz gesenkt.
(iii) Eine vorgegebene abgelaufene Zeit seit Abschluss der Auffrischsteuerung ist abgelaufen.

Die Bedingung (i) wird unter Bezugnahme auf 9A beschrieben. 9A ist ein Beispiel für ein Zeitdiagramm, das eine Veränderung des Stroms der Brennstoffzelle 10 und eine Veränderung des stöchiometrischen Verhältnisses des Oxidationsgases in der Brennstoffzelle 10 während der Ausführungszeit der Auffrischsteuerung darstellt. Das „stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases“ in der Brennstoffzelle 10 ist das Verhältnis der Menge an tatsächlich zugeführtem Oxidationsgas zu der Menge an Oxidationsgas, die theoretisch erforderlich ist, um in der Brennstoffzelle 10 Elektrizität zu erzeugen. Der Impedanzmesser 80 berechnet das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases basierend auf der Menge des der Brennstoffzelle 10 zugeführten Oxidationsgases und der Menge an in der Brennstoffzelle 10 erzeugten Elektrizität.
In dem Beispiel aus 9A wird die Auffrischsteuerung in einer Periode von einer Zeit ta bis zu einer Zeit tb ausgeführt. In der Zeitspanne von der Zeit ta bis zur Zeit tb wird der Strom der Brennstoffzelle 10 vorübergehend zeitproportional auf einen Stromwert Irf erhöht, um die Spannung der Brennstoffzelle 10 auf das Oxidations-Reduktions-Potential des Katalysators zu reduzieren. Nach der Zeit tb, zu der die Auffrischsteuerung abgeschlossen wird, kehrt die Brennstoffzelle 10 in den normalen Betrieb zurück, und daher sinkt der Strom der Brennstoffzelle 10 stark.
In der Periode von der Zeit ta bis zur Zeit tb, während der die Auffrischsteuerung ausgeführt wird, wird das Oxidationsgas an der Kathode der Brennstoffzelle 10 stark verbraucht, um den Strom der Brennstoffzelle 10 durch die Auffrischsteuerung zeitproportional zu erhöhen. Daher sinkt das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases wesentlich von einem stöchiometrischen Verhältnis St in dem normalen Betrieb der Brennstoffzelle 10. Nach der Zeit tb, zu der die Auffrischsteuerung abgeschlossen wird, kehrt das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases zu dem stöchiometrischen Verhältnis St in dem normalen Betrieb der Brennstoffzelle 10 durch die Zufuhr des Oxidationsgases durch die Oxidationsgas-Zufuhr-Ablasseinheit 50 zurück. Wenn das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases zu dem stöchiometrischen Verhältnis St in dem normalen Betrieb der Brennstoffzelle 10 zurückkehrt, wird der Strom der Brennstoffzelle 10 in einen Strom im normalen Betrieb wiederhergestellt. Wenn die Bedingung (i) erfüllt ist, kann die Impedanz gemessen werden, während der Einfluss der Auffrischsteuerung reduziert wird. Wenn die Bedingung (i) erfüllt ist, reduziert diese Konfiguration das Auftreten eines Falls, in dem die Impedanz der Brennstoffzelle 10 als ein Wert berechnet wird, der von jenem abweicht, der den tatsächlichen nassen Zustand der Protonenaustauschmembran der Brennstoffzelle 10 angibt.
Die Bedingung (ii) wird unter Bezugnahme aufFIG. 9B beschrieben. 9B stellt einen Graphen Gs dar, der eine Strom-Spannungs-Eigenschaft während des normalen Betriebs der Brennstoffzelle 10 zeigt, und einen Graph Grf, der eine Strom-Spannungs-Eigenschaft der Brennstoffzelle 10 unmittelbar nachdem die Auffrischsteuerung ausgeführt wird, zeigt. Unmittelbar nachdem die Auffrischsteuerung abgeschlossen wird, sinkt das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases wie oben beschrieben, und die Strom-Spannungs-Eigenschaft der Brennstoffzelle 10 sinkt unter eine Strom-Spannungs-Eigenschaft während des normalen Betriebs. Wie in 9B dargestellt, bedeutet das Absinken der Strom-Spannungs-Eigenschaft der Brennstoffzelle 10 einen Zustand, in dem der Wert der Spannung, welche relativ zu dem Strom eindeutig bestimmt wurde, sinkt. Wenn die Impedanz der Brennstoffzelle 10 in diesem Zustand gemessen wird, kann der Messwert als Wert bezogen werden, der von jenem abweicht, der den tatsächlichen nassen Zustand der Protonenaustauschmembran der Brennstoffzelle 10 angibt. Wenn die Strom-Spannungs-Eigenschaft der Brennstoffzelle 10 während des normalen Betriebs nicht unter die vorgegebene Referenz basierend auf der Strom-Spannungs-Eigenschaft der Brennstoffzelle 10 sinkt, wird die Brennstoffzelle 10 nicht von der Auffrischsteuerung beeinflusst. Wenn die Bedingung (ii) erfüllt ist, reduziert diese Konfiguration das Auftreten eines Falls, in dem die Impedanz der Brennstoffzelle 10 als ein Wert berechnet wird, der von jenem abweicht, der den tatsächlichen nassen Zustand der Protonenaustauschmembran der Brennstoffzelle 10 angibt.
Es wird nun die Bedingung (iii) beschrieben. Die abgelaufene Zeit in der Bestimmungsbedingung (iii) wird eingestellt, indem experimentell im Voraus eine Zeit bestimmt wird, die erforderlich ist, bis die Bedingung (i) oder (ii) erfüllt ist, nachdem die Auffrischsteuerung abgeschlossen ist. Wenn die Bedingung (iii) erfüllt ist, wird die Brennstoffzelle 10 normal betrieben, ohne von der Auffrischsteuerung beeinflusst zu werden. Wenn die Bedingung (iii) erfüllt ist, reduziert diese Konfiguration das Auftreten eines Falls, in dem die Impedanz der Brennstoffzelle 10 als ein Wert berechnet wird, der von jenem abweicht, der den tatsächlichen nassen Zustand der Protonenaustauschmembran der Brennstoffzelle 10 angibt.
Wenn eine der Bedingungen (i) bis (iii) in Schritt S115 erfüllt ist, führt der Impedanzmesser 80 Schritt S120 unter der Annahme aus, dass die Impedanz der Brennstoffzelle 10 gemessen werden kann. In diesem Fall wird die Impedanz der Brennstoffzelle 10 unter Verwendung von Messwerten eines Stroms und einer Spannung der Brennstoffzelle 10 während der Messzeit Tm berechnet. Wenn keine der Bedingungen (i) bis (iii) in Schritt S115 erfüllt sind, gibt der Impedanzmesser 80 in Schritt S140 einen Ersatzwert an den Controller 20 aus.
Gemäß dem Impedanzmessprozess der dritten Ausführungsform gibt der Impedanzmesser 80 weiterhin den Ersatzwert als Impedanz der Brennstoffzelle 10 aus, bis eine der Bedingungen (i) bis (iii) erfüllt ist, nachdem die Auffrischsteuerung ausgeführt wurde. Diese Konfiguration reduziert das Auftreten eines Falls, in dem die Impedanz basierend auf den Messwerten des Stroms und der Spannung der Brennstoffzelle 10 berechnet wird, bevor die Brennstoffzelle 10 in den normalen Zustand wiederhergestellt wird, nachdem die Auffrischsteuerung ausgeführt wurde. So wird der Einfluss der Auffrischsteuerung auf das Messergebnis der Impedanz der Brennstoffzelle 10 weiter reduziert. Ferner kann das Brennstoffzellensystem 100 der dritten Ausführungsform verschiedene Aktionen und Effekte erzielen, die den in der ersten Ausführungsform beschriebenen ähnlich sind.
Andere Ausführungsformen
Zum Beispiel können verschiedene Konfigurationen, die oben in den Ausführungsformen beschrieben sind, wie folgt abgewandelt werden. Die nachfolgenden anderen Ausführungsformen werden als Beispiele für Ausführungsformen zur Implementierung der vorliegend offenbarten Technologie auf ähnliche Art und Weise wie die oben beschriebenen Ausführungsformen betrachtet.
Andere Ausführungsform 1
Der Impedanzmesser 80 kann als Ersatzwert einen anderen Wert als den vorherigen Wert der Impedanz, der durch den Rechenprozess berechnet wurde, bevor die Auffrischsteuerung ausgeführt wurde, ausgeben. Der Ersatzwert kann ein Wert sein, der im Voraus vorbereitet wurde und der eine Impedanz während des normalen Betriebs der Brennstoffzelle 10 angibt, in dem die Auffrischsteuerung nicht ausgeführt wird. Es ist nur erforderlich, dass der Ersatzwert im Voraus vor der Verwendung vorbereitet wird. Der Ersatzwert kann ein Wert sein, der während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 berechnet wird, oder ein Wert, der zur Zeit der Auslieferung des Brennstoffzellensystems 100 voreingestellt wird. Zum Beispiel kann der Impedanzmesser 80 auf nicht flüchtige Art und Weise eine mittlere Impedanz in dem normalen Betrieb der Brennstoffzelle 10 speichern, die im Voraus durch Versuche bestimmt wird, und die Impedanz an den Controller 20 als Ersatzwert ausgeben. Der Impedanzmesser 80 kann einen Ersatzwert abhängig von einer Betriebsbedingung der Brennstoffzelle 10 ausgeben, indem er ein Kennfeld verwendet, in dem die experimentell bestimmten Impedanzen und Parameter, die Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle 10 angeben, eindeutig miteinander assoziiert sind.
Andere Ausführungsform 2
In dem Impedanzmessprozess der dritten Ausführungsform kann der Prozess aus Schritt S150 ausgeführt werden, der in der zweiten Ausführungsform beschrieben wird. In diesem Fall können Messdatenelemente DTi und DTv aus dem Speicher 86 gelöscht werden, bevor eine der Bedingungen (i) bis (iii) in Schritt S115 erfüllt wird.
Andere Ausführungsform 3
In der dritten Ausführungsform kann die Bestimmung nur unter einer oder zwei Bedingungen der Bedingungen (i) bis (iii) in Schritt S115 getroffen werden. Andere Bedingungen können zu den Bedingungen (i) bis (iii) hinzugefügt werden.
Weitere
In den oben beschriebenen Ausführungsformen können die Funktionen und Prozesse, die durch Software implementiert werden, teilweise oder ganz durch Hardware implementiert werden. Ferner können die durch Hardware implementierten Funktionen und Prozesse teilweise oder ganz durch Software implementiert werden. Beispiele für Hardware umfassen verschiedene Schaltungen wie eine integrierte Schaltung, eine diskrete Schaltung und ein Schaltungsmodul, das erhalten wird, indem diese Schaltungen kombiniert werden.
Die vorliegend offenbarte Technologie ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann durch verschiedene Konfigurationen implementiert werden, ohne von dem Geist der vorliegend offenbarten Technologie abzuweichen. Zum Beispiel können die technischen Merkmale der Ausführungsformen, die den technischen Merkmalen der jeweiligen Aspekte entsprechen, die in dem Abschnitt „Kurzfassung der Erfindung“ beschrieben wurden, zweckmäßig ersetzt oder kombiniert werden, um einen Teil oder die Gesamtheit der vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen oder um einen Teil oder die Gesamtheit der oben beschriebenen Effekte zu erreichen. Jedes beliebige technische Merkmal, außer vorliegend anderweitig als essentiell beschrieben, sowie technische Merkmale, die vorliegend als nicht essentiell beschrieben werden, können in geeigneter Weise ausgelassen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2012 [0002]
JP 185968 A [0002]

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle (10), die eingerichtet ist, Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion von Reaktionsgasen zu erzeugen, wobei die Brennstoffzelle (10) einen Katalysator aufweist, der eingerichtet ist, die elektrochemische Reaktion zu fördern; einen Controller (20), der eingerichtet ist, einen Betrieb der Brennstoffzelle (10) zu steuern und eine Auffrischsteuerung zur Reduzierung einer Spannung der Brennstoffzelle (10) auszuführen, indem ein Strom der Brennstoffzelle (10) zeitproportional erhöht wird, um einen Oxidfilm auf dem Katalysator während des Betriebs der Brennstoffzelle (10) zu entfernen; und ein Impedanzmesser (80), der eingerichtet ist, eine Impedanz der Brennstoffzelle (10) während des Betriebs der Brennstoffzelle (10) zu messen, wobei der Impedanzmesser (80) eingerichtet ist: einen Rechenprozess zur Berechnung der Impedanz auszuführen, indem Messwerte des Stroms und der Spannung der Brennstoffzelle (10) in einer vorgegebenen Messzeit verwendet werden; und einen Ersatzwert, der im Voraus vorbereitet wurde, als Impedanz auszugeben, wenn ein Start der Auffrischsteuerung während der vorgegebenen Messzeit erfasst wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Impedanzmesser (80) eingerichtet ist, als Ersatzwert einen vorherigen Wert der Impedanz, der durch den Rechenprozess berechnet wurde, bevor die Auffrischsteuerung ausgeführt wurde, auszugeben.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Impedanzmesser (80) kann eingerichtet ist, Messwerte des Stroms und der Spannung der Brennstoffzelle (10) zu verwerfen, die während einer Ausführung der Auffrischsteuerung gemessen werden.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Impedanzmesser (80) eingerichtet ist, weiterhin den Ersatzwert als Impedanz, berechnet durch den Rechenprozess, auszugeben, bis mindestens eine der nachfolgenden Bedingungen erfüllt ist, nachdem die Auffrischsteuerung ausgeführt wurde: (i) ein stöchiometrisches Verhältnis eines Oxidationsgases, das in den Reaktionsgasen in der Brennstoffzelle (10) umfasst ist, ist größer gleich einem vorgegeben Referenzwert; (ii) eine Strom-Spannungs-Eigenschaft der Brennstoffzelle (10) sinkt nicht unter eine vorgegebene Referenz; und (iii) eine vorgegebene abgelaufene Zeit läuft ab.
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems aufweisend: Ausführen einer Auffrischsteuerung zur Reduzierung einer Spannung einer Brennstoffzelle (10) durch zeitproportionales Erhöhen eines Stroms der Brennstoffzelle (10), um einen Oxidfilm auf einem Katalysator der Brennstoffzelle (10) während eines Betriebs der Brennstoffzelle (10) zu entfernen; Ausführen eines Rechenprozesses zur Berechnung einer Impedanz der Brennstoffzelle (10), indem Messwerte des Stroms und der Spannung der Brennstoffzelle (10) in einer vorgegebenen Messzeit während des Betriebs der Brennstoffzelle (10) verwendet werden; und Ausgeben eines Ersatzwerts, der im Voraus vorbereitet wurde, als Impedanz, wenn ein Start der Auffrischsteuerung während der vorgegebenen Messzeit erfasst wird.