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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das z. B. bei Fahrzeugen verwendet wird.
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Verwandte Technik
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In der modernen Gesellschaft werden z. B. Autos als Transportmittel verwendet, und es sind täglich verschiedene Fahrzeuge auf den Straßen unterwegs. In den letzten Jahren haben Brennstoffzellen dabei zunehmend Aufmerksamkeit erregt, da sie weniger Auswirkungen auf die Umwelt haben.
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In einer solchen Brennstoffzelle reagieren einer Elektrode (Brennstoffelektrode) zugeführter Wasserstoff und der anderen Elektrode (Luftelektrode) zugeführter Sauerstoff miteinander, um elektrische Energie zu erzeugen. Um Verluste zu reduzieren und elektrische Energie effizient zu erzeugen, muss der Zustand der Brennstoffzelle geeignet verwaltet werden. Beispielsweise offenbaren die ungeprüften japanischen Patentanmeldungs-Veröffentlichungen
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201 627 A und
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198 208 A jeweils eine Technik, bei der in einem Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel aufweist, die Zellen in Gruppen unterteilt werden und die Impedanz jeder Gruppe gemessen wird, um den Zustand der Zellen zu verwalten.
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Kurzdarstellung
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung gibt ein Brennstoffzellensystem an. Das Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel, eine Steuerungseinrichtung und einen Strömungsregulierungsmechanismus auf. Der Brennstoffzellenstapel ist in mehrere Bereiche unterteilt. Jeder der mehreren Bereiche ist aus einer oder mehreren Zellen gebildet. Die Steuerungseinrichtung ist dazu ausgelegt, einen Zustand der einen oder mehreren Zellen für jeden der mehreren Bereiche zu verwalten. Der Strömungsregulierungsmechanismus ist dazu ausgelegt, die Strömungsrate eines durch jeden der mehreren Bereiche zirkulierenden Fluids auf der Grundlage des von der Steuerungseinrichtung verwalteten Zustands zu regulieren. Die Steuerungseinrichtung ist dazu ausgelegt, den Brennstoffzellenstapel so zu unterteilen, dass sich die Anzahl von Zellen in einem ersten Bereich der mehreren Bereiche und die Anzahl von Zellen in einem zweiten Bereich der mehreren Bereiche, der nicht der erste Bereich ist, voneinander unterscheiden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die beiliegenden Zeichnungen dienen dem besseren Verständnis der Erfindung und sind Bestandteil dieser Beschreibung. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
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Die Zeichnungen zeigen in:
- 1 ein Gesamtblockdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß der ersten Ausführungsform;
- 3 ein Blockdiagramm einer Steuerungseinrichtung in dem Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform;
- 4 eine schematische Darstellung eines Oxidationsgas-Versorgungssystems in einem Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform;
- 5 ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Zustandsverwaltung in einem Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
- 6 eine schematische Darstellung, die ein Beispiel für die Art der Gruppierung von Zellen durch die Steuerungseinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
- 7 eine schematische Darstellung, die ein Beispiel für die Art der Umgruppierung von Zellen durch die Steuerungseinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
- 8 eine Darstellung, die ein Beispiel für die Art der Regulierung der Strömungsrate eines Fluids durch einen Strömungsregulierungsmechanismus gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
- 9 ein Gesamtblockdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
- 10 ein Gesamtblockdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Modifikation.
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Ausführliche Beschreibung
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Herkömmliche Techniken, einschließlich der in
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201 627 A und
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198 208 A offenbarten, sind nicht ideal für die Bedürfnisse des Markts geeignet und stehen den nachstehend beschriebenen Herausforderungen gegenüber.
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Bei den in
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198 208 A vorgeschlagenen Brennstoffzellensystemen werden die Zellen in mehrere Gruppen unterteilt, und es wird die Impedanz jeder Gruppe gemessen, um den Zustand des Brennstoffzellensystems präzise zu verwalten. Die bestehenden Techniken, einschließlich der in
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201 627 A und
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198 208 A offenbarten, bieten jedoch keine geeignete Möglichkeit für das gesamte Brennstoffzellensystem, die Zellen in Gruppen zu unterteilen. Das heißt, es besteht noch viel Raum für Verbesserungen bei der Unterteilung der Zellen in Gruppen.
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Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht dieser vorstehend beschriebenen Herausforderungen konzipiert. Es ist wünschenswert, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, bei dem in einem Brennstoffzellenstapel aus mehreren Zellen eine teilweise Verschlechterung des Leistungsvermögens und der Qualität der Zellen verhindert werden kann.
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Nachstehend werden einige Ausführungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es sei angemerkt, dass die nachstehende Beschreibung auf veranschaulichende Beispiele der Erfindung gerichtet ist und nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen ist. Faktoren umfassend, ohne Einschränkung, numerische Werte, Formen, Materialien, Komponenten, Positionen der Komponenten und die Art der Kopplung der Komponenten miteinander sind nur veranschaulichend und nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen.
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Ferner sind Elemente in den folgenden beispielhaften Ausführungsformen, die nicht in einem übergeordneten unabhängigen Anspruch der Erfindung aufgeführt sind, optional und können je nach Bedarf vorhanden sein. Die Zeichnungen sind schematisch und nicht als maßstabsgetreu gezeichnet gedacht. In der gesamten vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen werden Elemente, die im Wesentlichen die gleiche Funktion und Konfiguration haben, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, um redundante Beschreibungen zu vermeiden. Andere als die nachstehend ausführlich beschriebenen Komponenten können in geeigneter Weise durch Elementtechnologie und Komponenten im Zusammenhang mit bekannten Brennstoffzellensystemen, einschließlich der in
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198 208 A offenbarten Komponenten, ergänzt werden.
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Erste Ausführungsform
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Brennstoffzellensystem 100
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Eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezugnahme auf 1 beschrieben. Das Brennstoffzellensystem 100 der vorliegenden Ausführungsform kann z. B. an einem Brennstoffzellenfahrzeug (FCV, Fuel Cell Vehicle) angebracht sein.
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Ein FCV wird als Beispiel beschrieben, bei dem das Brennstoffzellensystem 100 verwendet wird. Die vorliegende Erfindung kann auch bei einem stationären Brennstoffzellensystemen für Wohneinrichtungen und an beweglichen Körpern, wie etwa Flugzeugen angebrachten Brennstoffzellensystemen verwendet werden.
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Das an einem FCV angebrachte Brennstoffzellensystem 100 weist Folgendes auf: eine Steuerungseinrichtung 20 (einschließlich einer elektronischen Steuerungseinheit (ECU) 20A und anderer bekannter ECUs), die dazu ausgelegt ist, das Fahrzeug zu steuern, einen von der Steuerungseinrichtung 20 gesteuerten Brennstoffzellenstapel 10 und ein Gasversorgungssystem 50, das dazu ausgelegt ist, den Brennstoffzellenstapel 10 mit einem Anodengas und einem Kathodengas zu versorgen. Das Brennstoffzellensystem 100 der vorliegenden Ausführungsform weist auch eine bekannte Zellenverwaltungseinheit (CMU) 20B auf, die dazu ausgelegt ist, den Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 zu verwalten. Die Steuerungseinrichtung 20 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die zur Steuerung des Fahrzeugs ausgelegt ist, kann die ECU 20A und die CMU 20B aufweisen.
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Das Gasversorgungssystem 50 der vorliegenden Ausführungsform weist Folgendes auf: einen bekannten Wasserstofftank 51, der dazu ausgelegt ist, eine Anodenelektrodenseite des Brennstoffzellenstapels 10 mit Wasserstoffgas zu versorgen, eine Brenngas-Einlassleitung 52 und eine Brenngas-Auslassleitung 53. Das Gasversorgungssystem 50 weist auch einen bekannten Luftkompressor 54, der als Kathodengas-Versorgungseinheit dient und dazu ausgelegt ist, eine Kathodenelektrodenseite des Brennstoffzellenstapels 10 mit Luft zu versorgen, eine Luft-Einlassleitung 55 und eine Luft-Auslassleitung 56 auf. Die Strömungsraten des Kathodengases und des Anodengases können durch bekannte Strömungsregulierungsventile V1 bis V3 unter Steuerung der Steuerungseinrichtung 20 einzeln reguliert werden.
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Auch wenn dies in der Beschreibung der vorliegenden Ausführungsform nicht erläutert wird, kann das Gasversorgungssystem 50 einen bekannten Mechanismus aufweisen, wie etwa einen Befeuchter, einen Wasserstoffgas-Rückflussmechanismus (nicht dargestellt) oder ein Druckregulierungsventil, wie in
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198 208 A beschrieben. Auch wenn der Brennstoffzellenstapel 10 der vorliegenden Ausführungsform eine Kühlmittelpassage aufweist, durch die ein bekanntes Kühlmittel zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels 10 strömt, sind in
1 die Kühlmittelpassage und ein bekanntes Kühlmittelzirkulationssystem zum Zirkulieren des Kühlmittels durch die Kühlmittelpassage nicht dargestellt.
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Wie in 1 dargestellt, weist der Brennstoffzellenstapel 10 der vorliegenden Ausführungsform in Stapelrichtung gestapelte Zellen 1 auf. Die Zellen 1 sind jeweils aus einer einzelnen Brennstoffzelle gebildet. Wie nachstehend beschrieben, wird der Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 durch Unterteilen der Brennstoffzellenstapel 10 in Bereiche, die jeweils aus einer oder mehreren Zellen 1 gebildet sind, verwaltet.
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Jede der Zellen 1, die den Brennstoffzellenstapel 10 bilden, ist z. B. eine bekannte Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC, Polymer Electrolyte Fuel Cell). Auch wenn der Brennstoffzellenstapel 10 der vorliegenden Ausführungsform aus Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen gebildet ist, können auch andere bekannte Brennstoffzellen, wie etwa Festoxid-Brennstoffzellen verwendet werden. Jede der Zellen 1, die den Brennstoffzellenstapel 10 bilden, weist eine Brenngaspassage auf einer Seite (Anodenseite) einer Elektrolytmembran und eine Oxidationsgaspassage (Luft) auf der anderen Seite (Kathodenseite) der Elektrolytmembran auf.
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Jeder der Zellen 1, die den Brennstoffzellenstapel 10 bilden, ist ein Brenngas, ein Oxidationsgas und ein Kühlmittel (Kühlwasser) zur Kühlung zuzuführen. Dementsprechend weist der Brennstoffzellenstapel 10 der vorliegenden Ausführungsform Verzweigungen zum Verteilen oder Sammeln der vorstehend beschriebenen Fluide (Brenngas, Oxidationsgas und Kühlwasser) auf.
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Wie in 2 dargestellt, weist der Brennstoffzellenstapel 10 der vorliegenden Ausführungsform z. B. Folgendes auf: ein Paar Endplatten 2 (eine erste Endplatte 2A und eine zweite Endplatte 2B), die an beiden Enden der gestapelten Zellen 1 in Stapelrichtung angeordnet sind, eine erste Verzweigung 3, die in Bereichen des Umfangsrandes der gestapelten Zellen 1 angeordnet ist und Passagen aufweist, die die Zirkulation des Kühlwassers ermöglichen, und eine zweite Verzweigung 4, die in anderen Bereichen des Umfangsrandes der gestapelten Zellen 1 angeordnet ist und Passagen aufweist, die die Zirkulation des Brenngases und des Oxidationsgases ermöglichen. Die beiden Endplatten 2 sind dazu ausgelegt, über bekannte Befestigungsbolzen 11 Druck auf die Zellen 1 aufbringen zu können.
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Wie in 4 dargestellt, ist die zweite Verzweigung 4 der vorliegenden Ausführungsform auch dadurch gekennzeichnet, dass die Passagen des Oxidationsgases und des Brenngases jeweils einer Gruppe (die nachstehend auch als „Bereich“ bezeichnet werden kann) entsprechen, die aus einer oder mehreren Zellen 1 gebildet ist. Wie aus 4 ersichtlich, ist die Luft-Einlassleitung 55 so in Abzweigungen unterteilt, dass das Oxidationsgas durch jede der Gruppen zirkuliert. Die Abzweigungen der Luft-Einlassleitung 55, die sich zu jeder der Gruppen hin erstrecken, sind jeweils mit einem Strömungsregulierungsventil V3 ausgestattet.
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Die Abzweigungen der Luft-Einlassleitung 55 sind mit einer einlassseitigen zweiten Verzweigung 4B gekoppelt, deren Passagen den jeweiligen Gruppen entsprechen. Das der einlassseitigen zweiten Verzweigung 4B zugeführte Oxidationsgas wird der Kathodenseite einer oder mehrerer Zellen 1 in jeder Gruppe zugeführt, strömt zu einer auslassseitigen zweiten Verzweigung 4A, deren Passagen auch den jeweiligen Gruppen entsprechen, und wird dann zusammengeführt.
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Durch Regulieren des Öffnungsgrads des Strömungsregulierungsventils V3 kann die Steuerungseinrichtung 20 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Strömungsrate des jeder Gruppe zugeführten Oxidationsgases regulieren. Das Strömungsregulierungsventil V3 der vorliegenden Ausführungsform dient somit als Strömungsregulierungsmechanismus 30 (siehe 1), der die Strömungsrate des durch jede der vorstehend beschriebenen Gruppen oder Bereiche zirkulierenden Fluids reguliert. Der Strömungsregulierungsmechanismus 30 ist nicht auf einen bekannten Ventilmechanismus, wie etwa das vorstehend beschriebene Strömungsregulierungsventil V3 beschränkt. Der Strömungsregulierungsmechanismus 30 kann ein bekannter Strömungsregulierer sein, wie etwa ein Verschlussmechanismus, der die Passage mit einem Verschluss öffnen und schließen kann.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform ist jede mit der einlassseitigen zweiten Verzweigung 4B gekoppelte Abzweigung der Luft-Einlassleitung 55 mit einem Strömungsregulierungsventil V3 ausgestattet. Die Konfiguration ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Es kann auch jede mit der ausgangsseitigen zweiten Verzweigung 4A gekoppelte Abzweigung der Luft-Auslassleitung 56 mit einem Strömungsregulierungsventil V3 ausgestattet sein. Das Strömungsregulierungsventil V3 auf der stromabwärts gelegenen Seite (d. h. der ausgangsseitigen zweiten Verzweigung 4A benachbart) kann auch als Rückschlagventil dienen. Das Strömungsregulierungsventil V3 kann somit sowohl den Druck als auch die Strömungsrate für den entsprechenden Bereich regulieren.
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4 stellt ein Beispiel dar, bei dem die Strömungsrate des jeder Gruppe zugeführten Oxidationsgases durch Regulieren des Öffnungsgrades des Strömungsregulierungsventils V3 reguliert wird. Die Strömungsrate des jeder Gruppe zugeführten Brenngases kann auf die gleiche Weise, wie vorstehend beschrieben, reguliert werden. Jede Passage der ersten Verzweigung 3 (einer ersten Verzweigung 3A und einer zweiten Verzweigung 3B), die einen Kühlwassereinlass 59 und einen Kühlwasserauslass 60 aufweist, durch die das Kühlwasser zirkuliert, kann auch einer Gruppe entsprechen. Die Strömungsrate des jeder Gruppe zugeführten Kühlwassers kann auf die gleiche Weise wie vorstehend beschrieben reguliert werden.
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Die vorstehend beschriebenen Verzweigungen können z. B. mit Bezug auf
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123 325 A und
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41 475 A hergestellt werden, die jeweils ein Beispiel für die Herstellung einer „externen Verzweigung“ zeigen.
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Der Zustand der Energieerzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 wird von der bekannten CMU 20B verwaltet. Die CMU 20B ist eine Schaltung, die in der Steuerungseinrichtung 20 gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthalten ist und die Funktion hat, die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom jeder der Zellen 1, die den Brennstoffzellenstapel 10 bilden, zu detektieren. Mit anderen Worten, es kann die CMU 20B, die als Steuerungseinrichtung 20 dient, die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom von jeder der in Gruppen unterteilten Zellen 1 detektieren. Der von der CMU 20B detektierte Spannungswert und Stromwert jeder Gruppe kann z. B. an die ECU 20A ausgegeben werden.
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Die Steuerungseinrichtung 20 gemäß der vorliegenden Ausführungsform (die ECU 20A und die CMU 20B) weist z. B. einen oder mehrere bekannte Speicher und eine oder mehrere elektrisch mit dem einen oder den mehreren Speichern gekoppelte Zentraleinheiten (CPUs) auf. Die eine oder mehreren CPUs sind dazu ausgelegt, Berechnungen gemäß einem im Voraus definierten Steuerungsprogramm ausführen.
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Die Steuerungseinrichtung 20 kann einen bekannten Nur-Lese-Speicher (ROM) und einen bekannten Direktzugriffsspeicher (RAM) aufweisen. Der ROM ist dazu ausgelegt, im Voraus Steuerungsprogramme und Steuerungsdaten zu speichern, die von der CPU zur Ausführung verschiedener Berechnungen verwendet werden. Verschiedene Typen von Daten, die von der CPU zur Ausführung verschiedener Berechnungen verwendet werden, werden vorübergehend in den RAM geschrieben und aus diesem gelesen. Die Steuerungseinrichtung 20 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die Energieerzeugung in dem Brennstoffzellenstapel 10, das Treiben des Gasversorgungssystems 50 oder die Zufuhr von Energie von einem DC-DC-Wandler 57 zu einer bekannten Last 58, wie etwa einem Motor, steuern.
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Auch mit Bezugnahme auf 3 wird die Konfiguration der Steuerungseinrichtung 20 in dem Brennstoffzellensystem 100 der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Wie in 3 dargestellt, weist die Steuerungseinrichtung 20 gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen Messzustandsbestimmer 21, einen Zellenzustandsdetektor 22, einen Umgebungsinformationsdetektor 23, einen Gruppierungseinsteller 24 und einen Strömungsregulierer 25 auf.
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Die Steuerungseinrichtung 20 hat die Funktion, den Zustand der Zellen 1, die den Brennstoffzellenstapel 10 bilden, für jeden Bereich zu verwalten. In der Steuerungseinrichtung 20 erhöht z. B. der Gruppierungseinsteller 24 teilweise die Anzahl von Bereichen, um den inneren Zustand der Brennstoffzelle präzise zu verwalten und zu verbessern. Dadurch kann eine teilweise Verschlechterung des Leistungsvermögens und der Qualität in dem Brennstoffzellenstapel 10 verhindert werden.
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Die Steuerungseinrichtung 20 macht die Anzahl von Bereichen gemäß den Umgebungsinformationen und dem inneren Zustand der Zelle variabel, so dass ein Bereich mit größerem Einfluss auf das Niveau des Leistungsvermögens präzise gesteuert werden kann und ein Bereich mit geringerem Einfluss auf das Niveau des Leistungsvermögens relativ grob gesteuert werden kann. Dies kann die Steuerungsgenauigkeit in dem Brennstoffzellenstapel 10 verbessern und die Rechenlast bei der Analyse des Brennstoffzellenstapels 10 reduzieren.
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Der Messzustandsbestimmer 21 hat die Funktion, die Anzahl von zu messenden Bereichen in dem Brennstoffzellenstapel 10 zu bestimmen. Wie aus 4 und 6 ersichtlich ist, kann der Messzustandsbestimmer 21 z. B. eine Gruppierung so durchführen, dass sich die Anzahl von Zellen in einem ersten Bereich (z. B. Bereich SC1) von mehreren Bereichen SC und die Anzahl von Zellen in einem zweiten Bereich (z. B. Bereich SCk) der mehreren Bereiche SC voneinander unterscheiden. In dem in 6 dargestellten Beispiel beträgt die Anzahl von Zellen in dem Bereich SC1 z. B. 10, während die Anzahl von Zellen in dem Bereich SCk z. B. 15 beträgt.
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In dem in 6 dargestellten Beispiel ist der Brennstoffzellenstapel 10 in n Bereiche, Nr. 1 bis Nr. n, unterteilt, und zwar in der Reihenfolge von einem Ende des Brennstoffzellenstapels 10 aus, wobei der k-te Bereich in der Mitte des Brennstoffzellenstapels 10 angeordnet ist. Die Anzahl von Bereichen, in die der Brennstoffzellenstapel 10 unterteilt ist, kann gemäß der Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen 1 vorgegeben werden. Wenn der Brennstoffzellenstapel 10 z. B. mehr als 300 in Reihe geschaltete Zellen 1 aufweist, kann der Brennstoffzellenstapel 10 in etwa 10 bis 20 Bereiche unterteilt werden.
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Der Messzustandsbestimmer 21 kann im Voraus einen Betriebspunkt für den Brennstoffzellenstapel 10 definieren, an dem der Zustand der Energieerzeugung zwischen den Bereichen in dem Brennstoffzellenstapel 10 tendenziell variiert. Wenn der Brennstoffzellenstapel 10 dann den Betriebspunkt erreicht, werden die Bereiche gruppiert oder umgruppiert. Beispiele für den Betriebspunkt des Brennstoffzellenstapels 10 umfassen eine Zellenspannung, eine Aufnahmetemperatur des Oxidationsgases, die von der Brennstoffzelle erzeugte Energiemenge (z. B. im Leerlaufbetrieb oder bei hoher Last) und einen Zeitpunkt, an dem jedes der Fluide (Oxidationsgas, Brenngas und Kühlwasser) mit einer niedrigen Strömungsrate gesteuert wird.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform kann die Anzahl von Zellen 1 von einem Bereich zum anderen variieren, wie vorstehend beschrieben. Somit bestimmt der Messzustandsbestimmer 21 gemäß dem für jeden Bereich des Brennstoffzellenstapels 10 bestimmten Messzustand die Messfrequenz und die Amplitude der Impedanz, eine Analyseformel, eine Ersatzschaltung oder Messbedingungen unter Verwendung einer bekannten Technik. Die Frequenz und die Amplitude einer alternierenden Wellenform (z. B. Strom), die an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegt wird, um die vorstehend beschriebene Impedanz zu berechnen, kann für alle Bereiche grundsätzlich gleich sein.
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Wenn z. B. eine zusammengesetzte Wellenform, die mehrere Frequenzen enthält, an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegt wird, um einen beabsichtigten Zustand der Energieerzeugung zu identifizieren, ist nach der Messung für jeden Bereich eine schnelle Fourier-Transformations(FFT)-Analyse durchzuführen, um die Frequenzen zu trennen. Somit können die Frequenz und Amplitude einer an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegten alternierenden Wellenform von einem Bereich zum anderen variieren.
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Die Abtastfrequenz während der Messung kann auch in Abhängigkeit von der an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegten alternierenden Wellenform variieren. Um die Rechenlast zu reduzieren, wird z. B. eine relativ hohe Abtastrate verwendet, wenn die an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegte alternierende Wellenform eine Hochfrequenzwellenform ist, während eine relativ niedrige Abtastrate verwendet wird, wenn die an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegte alternierende Wellenform eine Niederfrequenzwellenform ist.
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Der Zellenzustandsdetektor 22 hat die Funktion, Messinformationen von Sensoren 40 zu empfangen und den Zustand jedes Bereichs, der den Brennstoffzellenstapel 10 bildet, zu messen. Beispiele für die Sensoren 40 umfassen, wie in 1 und 3 dargestellt, einen bekannten Spannungssensor 41, der den Spannungswert jedes Bereichs messen kann, einen bekannten Stromsensor 42, der den Wert des durch den Brennstoffzellenstapel 10 fließenden Stroms messen kann, und einen bekannten Zellentemperatursensor 43, der die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 messen kann. Auch wenn in 3 drei Sensoren dargestellt sind, können die Sensoren 40 verschiedene bekannte an einem Fahrzeug angebrachte Sensoren aufweisen, wie etwa einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor und einen GPS(globales Positionierungssystem)-Sensor.
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Der Umgebungsinformationsdetektor 23 hat die Funktion, Umgebungsinformationen um das Brennstoffzellenfahrzeug herum, wie etwa die Temperatur und Luftfeuchtigkeit um den Brennstoffzellenstapel 10 herum, auf der Grundlage bekannter an dem Brennstoffzellenfahrzeug angebrachter Messsensoren zu erfassen. Beispiele für die Messsensoren umfassen bekannte fahrzeuginterne an dem FCV angebrachte Sensoren, wie etwa einen bekannten Außenlufttemperatursensor, der die Temperatur um das FCV herum messen kann, und einen bekannten Luftfeuchtigkeitssensor, der die Luftfeuchtigkeit um das FCV herum messen kann.
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Der Gruppierungseinsteller 24 hat die Funktion, den Brennstoffzellenstapel 10 der Zellen 1 in mehrere Bereiche (oder Gruppen) zu unterteilen. Beispielsweise kann der Gruppierungseinsteller 24 die Gruppierung so durchführen, dass sich die Anzahl von Zellen in einem ersten Bereich der mehreren Bereiche und die Anzahl von Zellen in einem zweiten Bereich der mehreren Bereiche voneinander unterscheiden.
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Wie nachstehend weiter beschrieben wird, kann der Gruppierungseinsteller 24 die Gruppierung so durchführen, dass sich die Anzahl von Zellen, die einen mittleren Bereich (z. B. Bereich SCk gemäß 6) in der Mitte des Brennstoffzellenstapels 10 bilden, und die Anzahl von Zellen, die jeden der Endbereiche (z. B. Bereiche SC1 und SCn gemäß 6) auf beiden Seiten des mittleren Bereichs bilden, voneinander unterscheiden. Der Gruppierungseinsteller 24 kann die Gruppierung so durchführen, dass die Anzahl von Zellen, die jeden der Endbereiche auf beiden Seiten des mittleren Bereichs des Brennstoffzellenstapels 10 bilden, kleiner ist als die Anzahl von Zellen, die den mittleren Bereich bilden.
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Der Strömungsregulierer 25 hat die Funktion, für jeden der von dem Gruppierungseinsteller 24 eingestellten Bereiche die Strömungsrate eines Fluids (in dem vorliegenden Beispiel Oxidationsgas, es kann aber auch Brenngas oder Kühlwasser sein, zu regulieren, das durch den Bereich strömt. Beispielsweise kann der Strömungsregulierer 25 über den Strömungsregulierungsmechanismus 30 die Strömungsrate des durch jeden der Bereiche in dem Brennstoffzellenstapel 10 zirkulierenden Fluids regulieren.
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Verfahren zur Zustandsverwaltung in einem Brennstoffzellensystem
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Auch mit Bezugnahme auf 5 wird ein Verfahren zur Zustandsverwaltung in dem Brennstoffzellensystem 100 der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
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Wie in 5 dargestellt, bestimmt der Messzustandsbestimmer 21 der Steuerungseinrichtung 20 zuerst im SCHRITT 1 die Anzahl von zu messenden Bereichen in dem Brennstoffzellenstapel 10. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist, wie in 4 dargestellt, ein Stapel von fünf Zellen 1 als ein Bereich definiert. Dadurch kann die Steuerungseinrichtung 20 den Zustand jedes Bereichs, der aus den fünf Zellen 1 gebildet ist, verwalten.
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Der Messzustandsbestimmer 21 unterteilt den Brennstoffzellenstapel 10, wie in 6 dargestellt, so, dass sich die Anzahl von Zellen (15 in diesem Beispiel), die den mittleren Bereich (Bereich SCk) in der Mitte des Brennstoffzellenstapels 10 bilden, und die Anzahl von Zellen (10 in diesem Beispiel), die jeden der Endbereiche (Bereiche SC1 und SCn) auf beiden Seiten des mittleren Bereichs bilden, voneinander unterscheiden. Der Einfachheit halber sind in 6 die Luft-Auslassleitung 56 und eine mit dem Brennstoffzellenstapel 10 gekoppelte Kühlwasserpassage nicht dargestellt.
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Im SCHRITT 2 bestimmt der Messzustandsbestimmer 21 der Steuerungseinrichtung 20 gemäß dem für jeden Bereich des Brennstoffzellenstapels 10 bestimmten Messzustand die Messfrequenz und die Amplitude der Impedanz, eine Analyseformel, eine Ersatzschaltung oder Messbedingungen unter Verwendung einer bekannten Technik. Mit anderen Worten, es werden eine Messfrequenz und eine Amplitude der Impedanz sowie eine Analyseformel, die sich von denjenigen unterscheiden, die auf den mittleren Bereich (Bereich SCk) in der Mitte des Brennstoffzellenstapels 10 angewendet werden, auf die Endbereiche (Bereiche SC1 und SCn) auf beiden Seiten des mittleren Bereichs angewendet.
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Im SCHRITT 3 empfängt der Zellenzustandsdetektor 22 Messinformationen von den Sensoren 40, wie etwa dem Spannungssensor 41 und anderen Sensoren, und misst den Zellenzustand (einschließlich der Impedanz) aller Bereiche, die den Brennstoffzellenstapel 10 bilden.
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Im SCHRITT 4 bestimmt der Zellenzustandsdetektor 22 auf der Grundlage der im SCHRITT 3 detektierten Impedanz jedes Bereichs, ob die Widerstandsschwankungen zwischen den Bereichen in einem definierten Bereich liegen. Das Verfahren zum Messen der Impedanz jedes Bereichs ist nicht speziell beschränkt. Beispielsweise kann die Impedanz jedes Bereichs unter Verwendung eines bekannten Wechselstrom-Impedanzverfahrens berechnet werden, das in
JP 2017-201 627 A und
JP 2020-198 208 A beschrieben ist.
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Für die „Widerstandsschwankungen“ kann ein geeigneter Bereich für die Spezifikation der zu verwendenden Zelle 1 im Voraus durch ein Experiment oder eine Simulation bestimmt werden und als der vorstehend beschriebene definierte Bereich vorgegeben werden.
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Wenn die Widerstandsschwankungen zwischen den Bereichen in dem im SCHRITT 4 definierten Bereich liegen (JA im SCHRITT 4), wird im SCHRITT 6 bestimmt, ob das FCV-System angehalten hat. Wenn das Fahrzeugsystem noch in Betrieb ist, kehrt der Prozess zu SCHRITT 3 zurück, von wo aus der vorstehend beschriebene Prozess fortgesetzt wird.
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Wenn die Widerstandsschwankungen zwischen den Bereichen nicht in dem im SCHRITT 4 definierten Bereich liegen (Nein im SCHRITT 4), werden die Bereiche im SCHRITT 5 umgruppiert.
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Das heißt, im SCHRITT 5 erfasst der Umgebungsinformationsdetektor 23 zuerst Umgebungsinformationen um das FCV herum, wie etwa die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit um den Brennstoffzellenstapel 10 herum, auf der Grundlage bekannter an dem FCV angebrachter Messsensoren (Sensoren 40).
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Im SCHRITT 5 führt der Gruppierungseinsteller 24 dann z. B. auf der Grundlage der von dem Umgebungsinformationsdetektor 23 erfassten Umgebungsinformationen eine Umgruppierung so durch, dass die Anzahl von Zellen, die einen Bereich SCed an einem Ende des Brennstoffzellenstapels 10 bilden, reduziert wird. Das heißt, der ursprünglich aus zehn Zellen 1 gebildete Bereich SC1 (siehe 6) ist, wie aus dem Vergleich zwischen 6 und 7 ersichtlich ist, nach der Umgruppierung in den Bereich SC1 und den Bereich SC2 unterteilt, die jeweils aus fünf Zellen 1 gebildet sind (siehe 7).
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Die Detektion von Umgebungsinformationen durch den Umgebungsinformationsdetektor 23 kann auch übersprungen werden, da sie für die Gruppierung oder Umgruppierung nicht immer erforderlich ist. Wenn die Detektion von Umgebungsinformationen übersprungen wird, kann die Gruppierung oder Umgruppierung durch Bezugnahme auf einen Bereich mit signifikanten Temperaturänderungen durchgeführt werden, der im Voraus durch ein Experiment oder eine Simulation bestimmt worden ist.
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Durch die Durchführung einer präziseren Umgruppierung in einem Bereich mit signifikanten Temperaturänderungen, wie etwa einem Bereich an einem Ende des Brennstoffzellenstapels 10, ist es möglich, eine bessere Zustandsverwaltung als vor der Umgruppierung zu erreichen. Das Brennstoffzellensystem 100 der vorliegenden Ausführungsform kann somit ferner einen Messsensor aufweisen, der dazu ausgelegt ist, einen oder beide der folgenden Paramater zu messen: die Umgebung und den inneren Zustand des Brennstoffzellenstapels 10, und die Steuerungseinrichtung 20 kann die Funktion haben, die mehreren Bereiche auf der Grundlage des Ergebnisses der von dem Messsensor durchgeführten Messung so umzugruppieren, dass sich die Anzahl von Zellen in dem ersten Bereich und die Anzahl von Zellen in dem zweiten Bereich voneinander unterscheiden.
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Im SCHRITT 5 reguliert der Strömungsregulierer 25 auf der Grundlage des umgruppierten Zustands die Strömungsrate eines Fluids, das durch jeden der von dem Gruppierungseinsteller 24 eingestellten Bereiche strömt. Wie in 8 dargestellt, reguliert der Strömungsregulierer 25 die Strömungsrate eines Fluids durch den Strömungsregulierungsmechanismus 30 so, dass der Zustand jeder Zelle 1 auf der Grundlage des Zustands der Zellen 1 in jedem Bereich verbessert wird.
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Wenn z. B. bestimmt wird, dass sich die Zellen 1 in einem Bereich (z. B. Bereich SC1) in einem trockenen Zustand befinden, kann der Strömungsregulierer 25 die Strömungsrate des Oxidationsgases reduzieren oder die Strömungsrate des Kühlwassers in dem Bereich SC1 durch den Strömungsregulierungsmechanismus 30 erhöhen. Wird der Bereich SC1 in einen feuchten Zustand versetzt, wird dies Auswirkungen auf einen anderen Bereich (z. B. den benachbarten Bereich SC2) haben.
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Wenn der Strömungsregulierer 25 bestimmt, dass die Zellen 1 in einem Bereich aufgrund der Strömungsregulierung in einem anderen Bereich z. B. Überflutungstendenzen aufweisen, kann der Strömungsregulierer 25 somit die Strömungsrate des Kühlwassers in dem einen Bereich durch den Strömungsregulierungsmechanismus 30 reduzieren.
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Wie vorstehend beschrieben, kann der Strömungsregulierer 25 der vorliegenden Ausführungsform bei der Regulierung der Strömungsrate des Fluids in dem ersten Bereich (bzw. dem Bereich SC1 in dem vorstehend beschriebenen Beispiel) mehrerer Bereiche durch den Strömungsregulierungsmechanismus 30 die Strömungsrate in dem zweiten Bereich (bzw. dem Bereich SC2 in dem vorstehend beschriebenen Beispiel) der mehreren Bereiche gemäß der Strömungsregulierung in dem ersten Bereich regulieren.
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Zweite Ausführungsform
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Ein Brennstoffzellensystem 110 gemäß einer zweiten Ausführungsform wird nun mit Bezugnahme auf 9 beschrieben.
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In dem Brennstoffzellensystem 100 gemäß der ersten Ausführungsform ist ein Bereich aus zumindest fünf Zellen 1 gebildet.
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Im Gegensatz dazu ist das Brennstoffzellensystem 110 der vorliegenden Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass jede der Zellen 1, die den Brennstoffzellenstapel 10 bilden, z. B. den Zustand von Spannung oder Strom messen und die Strömungsrate jedes der in der Zelle 1 strömenden Fluide (Oxidationsgas, Brenngas und Kühlwasser) regulieren kann.
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In der folgenden Beschreibung werden Komponenten, die die gleichen Funktionen wie die vorstehend beschriebenen haben, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und auf Beschreibungen davon wird gegebenenfalls verzichtet.
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In dem Brennstoffzellensystem 110 gemäß der zweiten Ausführungsform, wie in 9 dargestellt, sind die Zellen 1, die den Brennstoffzellenstapel 10 bilden, jeweils mit einem Spannungssensor 41 ausgestattet, der die Spannung der Zelle 1 detektieren kann. In dem Brennstoffzellensystem 110 gemäß der zweiten Ausführungsform entsprechen die Passagen in der ersten Verzweigung 3 und der zweiten Verzweigung 4 auch jeweils einer Zelle 1, und es kann der Strömungsregulierungsmechanismus 30 die Strömungsrate des Fluids für jede Zelle 1 regulieren.
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In dem Brennstoffzellensystem 110 gemäß der zweiten Ausführungsform kann die Steuerungseinrichtung 20 ferner die Anzahl von Zellen 1 in jedem Bereich des Brennstoffzellenstapels 10, der aus mehreren Zellen 1 gebildet ist, als einen beliebigen Wert vorgeben. Beispielsweise kann die Steuerungseinrichtung 20 bestimmen, dass der Bereich SC1 an einem Ende des Brennstoffzellenstapels 10 aus drei Zellen 1 gebildet sein soll und dass der Bereich SCk in der Mitte des Brennstoffzellenstapels 10 aus sechs Zellen 1 gebildet sein soll. In diesem Fall kann die Steuerungseinrichtung 20 mehrere zu dem gleichen Bereich gehörende Strömungsregulierungsventile V3 so steuern, dass sich die Strömungsregulierungsventile V3 synchron öffnen und schließen.
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Wie vorstehend beschrieben, kann die Steuerungseinrichtung 20 des Brennstoffzellensystems 110 den Brennstoffzellenstapel 10 in eine beliebige Anzahl von Bereichen unterteilen und kann die Anzahl von Zellen 1, die jeden Bereich bilden, als einen beliebigen Wert vorgeben. Ferner kann die Steuerungseinrichtung 20 des Brennstoff-zellensystems 110 die bestehenden Bereiche in eine beliebige Anzahl von Bereichen umgruppieren (im SCHRITT 5) und die Anzahl von Zellen in jedem Bereich auf einen beliebigen Wert zurücksetzen. Die Steuerungseinrichtung 20 kann den Brennstoffzellenstapel 10 somit geeignet in Bereiche unterteilen und die Anzahl von Zellen 1 in jedem Bereich gemäß den Änderungen des Zustands und den Umgebungsinformationen des Brennstoffzellenstapels 10 vorgeben.
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In den Brennstoffzellensystemen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird der Brennstoffzellenstapel aus mehreren Zellen in eine beliebige Anzahl von Bereichen unterteilt, deren Zustände einzeln verwaltet werden. Ferner unterscheidet sich die Anzahl von Zellen in einem Bereich von der in einem anderen Bereich. Dadurch kann eine teilweise Verschlechterung des Leistungsvermögens und der Qualität der Zellen effektiv verhindert werden.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind Beispiele für die vorliegende Erfindung. Solange sie nicht vom Umfang der vorliegenden Erfindung abweichen, können Elemente der Ausführungsformen in geeigneter Weise kombiniert werden, um neue Strukturen oder Steuerungen zu schaffen. Es wird nun eine Modifikation beschrieben, die auf die Ausführungsformen anwendbar ist.
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Modifikation
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10 stellt eine Modifikation der Brennstoffzellensysteme gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen dar.
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Wie in 10 dargestellt, ist eine Wärmequelle HS um den Brennstoffzellenstapel 10 herum angeordnet. Beispiele für die Wärmequelle HS umfassen verschiedene bekannte Wärmequellen, wie etwa einen Wechselrichter in dem FCV und den vorstehend beschriebenen DC-DC-Wandler.
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Wie in 10 dargestellt, weist der Brennstoffzellenstapel 10 der vorliegenden Modifikation einen Bereich SChs nahe der Wärmequelle HS und andere Bereiche (z. B. die Bereiche SC1 und SCn, die in dem vorliegenden Beispiel die Bereiche SCed an den Enden des Brennstoffzellenstapels 10 sind), die nicht wesentlich von der Wärme der Wärmequelle HS beeinflusst werden, auf. Somit kann der Gruppierungseinsteller 24 der Steuerungseinrichtung 20 die Gruppierung oder Umgruppierung so durchführen, dass der Bereich SChs des Brennstoffzellenstapels 10 nahe der Wärmequelle HS aus weniger Zellen gebildet ist, wie in 10 dargestellt.
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Wie aus 10 ersichtlich ist, kann der Gruppierungseinsteller 24 der Steuerungseinrichtung 20 die Anzahl von Zellen (5 in diesem Beispiel), die den Bereich SChs nahe der Wärmequelle HS bilden, als weniger als die Anzahl von Zellen (15 in diesem Beispiel), die den Bereich SCmd in der Mitte des Brennstoffzellenstapels 10 bilden, und die Anzahl von Zellen (10 in diesem Beispiel), die den Bereich SCed an einem Ende des Brennstoffzellenstapels 10 bilden, vorgeben.
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Wie vorstehend beschrieben, kann die Steuerungseinrichtung 20 die Gruppierung so durchführen, dass ein Bereich mit signifikanten Temperaturänderungen, wie etwa ein Bereich an einem Ende des Brennstoffzellenstapels 10 oder in der Nähe der Wärmequelle HS, aus weniger Zellen gebildet ist als andere Bereiche. Beispiele für den „Bereich mit signifikanten Temperaturänderungen“ umfassen einen Bereich in der Nähe einer Kühlluftleitung, einen Bereich, der mit Luftfeuchtigkeit, wie etwa Regenwasser in Berührung kommen kann, und einen Bereich in der Nähe des Kompressors sowie einen Endbereich und einen Bereich in der Nähe der Wärmequelle, wie vorstehend beschrieben.
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Bei der vorstehend beschriebenen Durchführung der Gruppierung kann die Steuerungseinrichtung 20 die Anzahl von Zellen, aus denen jeder Bereich des Brennstoffzellenstapels 10 gebildet ist, gemäß dem Abstand zu der Wärmequelle allmählich ändern. Beispielsweise kann die Steuerungseinrichtung 20 die Gruppierung so durchführen, dass Bereiche in der Nähe der Wärmequelle jeweils aus weniger Zellen gebildet sind und die Anzahl von Zellen, aus denen jeder Bereich gebildet ist, mit zunehmendem Abstand von der Wärmequelle allmählich erhöht wird.
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In dem Brennstoffzellensystem gemäß der Modifikation kann der Zustand der Zellen in einem Bereich, der für die Wärme der um das Brennstoffzellensystem herum angeordneten Wärmequelle empfindlich ist, präzise verwaltet werden. Dadurch kann eine partielle Verschlechterung des Leistungsvermögens und der Qualität der Zelle weiter reduziert werden.
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Auch wenn Ausführungsformen und Modifikationen der vorliegenden Erfindung ausführlich mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf solche Beispiele beschränkt. Es ist offensichtlich, dass der Durchschnittsfachmann auf dem technischen Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, versuchen kann, weitere Änderungen an den Ausführungsformen und Modifikationen innerhalb der technischen Ideen, die in den Ansprüchen dargelegt sind, vorzunehmen, und es erscheint einsichtig, dass sich diese Änderungen auch in den technischen Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2017 [0003, 0007, 0008, 0011, 0016]
- JP 201627 A [0003, 0007, 0008, 0011, 0016]
- JP 2020 [0003, 0007, 0008, 0011, 0016]
- JP 198208 A [0003, 0007, 0008, 0011, 0016]
- JP 2010 [0026]
- JP 123325 A [0026]
- JP 2008 [0026]
- JP 41475 A [0026]
- JP 2017201627 A [0049]
- JP 2020198208 A [0049]
