DE10233426B4 - Verfahren zur Erfassung von Abnormität bei einer Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Abnormitäts-Erfassungsverfahren für eine Brennstoffzelle (1) mit einer Mehrzahl von Einheitszellen (55), die durch Zuführen von Reaktionsgasen zu einer Anode (52) und einer Kathode (53) jeder Einheitszelle (55) Strom erzeugen, bei dem eine Abnormität der Brennstoffzelle (1) aufgrund einer Spannung der Einheitszellen (55) erfasst wird, gekennzeichnet durch die Schritte:
– Stoppen der Zufuhr von Reaktionsgasen zu der Brennstoffzelle (1),
– Abwarten eines vorbestimmten Zeitintervalls seit dem Stoppen der Zufuhr von Reaktionsgasen,
– Erfassen der Spannung jeder der Einheitszellen (55) nach Ablauf des vorbestimmten Zeitintervalls, und
– Bestimmen, ob eine Abnormität vorliegt, aufgrund eines Vergleichs der erfassten Spannungen mit einem vorbestimmten Bestimmungsschwellenwert.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen von Abnormität bei einer Brennstoffzelle.
  • Eine in einem Fahrzeug angebrachte Brennstoffzelle umfasst einen Stapel, der gebildet wird durch Stapeln einer Mehrzahl von Einheitszellen, die jeweils gebildet sind durch Anordnen einer eine Festpolymer-Ionenaustauschmembran umfassenden Festpolymer-Elektrolytmembran zwischen der Anode und der Kathode und durch Einfügen eines Paars von Separatoren an deren Außenseite. Bei jeder Zelle ist vorgesehen eine Wasserstoffgasleitung, die Wasserstoff als Brenngas zuführt, eine Luftleitung, die Sauerstoff als Oxidationsmittel enthaltende Luft zuführt, und eine Kühlflüssigkeitsleitung, die ein Kühlmittel zuführt. Im Folgenden werden das Brenngas und das Oxidationsgas als "Reaktionsgase" abgekürzt. In der Brennstoffzelle wandern die Wasserstoffionen, die durch die katalytische Reaktion an der Anode erzeugt werden, zur Kathode, indem sie durch die Festpolymer-Katalysatormembran hindurchströmen, und aufgrund einer elektrochemischen Reaktion mit dem Sauerstoff wird an der Kathode Elektrizität erzeugt. Zusätzlich wird die während der Stromerzeugung erzeugte Wärme durch ein Kühlmittel in der Kühlmittelleitung aufgenommen und dadurch die Brennstoffzelle gekühlt.
  • Bei dieser Brennstoffzelle hat die Festpolymer-Elektrolytmembran als Elektrolyt die Funktion des Übertragens der Wasserstoffionen und als eine Barriere die Funktion des Trennens des Wasserstoffgases in der Wasserstoffgasleitung und des Oxidationsgases (Luft) in der Luftleitung, und weiterhin hat der Separator als eine Barriere die Funktion, jeweils das Wasserstoffgas in der Wasserstoffgasleitung, das Oxidationsgas (Luft) in der Luftleitung und das Kühlmittel in der Kühlmittelleitung zu trennen. Wenn in der Festpolymer-Elektrolytmembran oder den Separatoren Löcher offen sind, strömt daher Wasserstoff in der Wasserstoffgasleitung in die Luftleitung aus.
  • Wenn das Wasserstoffgas in dieser Art und Weise in die Luftleitung ausströmt, wird das Wasserstoffgas unter Reaktion mit dem Sauerstoff in der Luft in dem Luftdurchgang erwärmt. Weil Wasserstoff ein entflammbares Gas ist, ist zu befürchten, dass dies einen schädlichen Einfluss auf die Brennstoffzelle hat.
  • Wenn ein durch Schaden an der Membran verursachtes Wasserstoffleck auftritt, ist es daher bei einer Brennstoffzelle notwendig, dieses früh zu entdecken.
  • Daher wird herkömmlicherweise, wie zum Beispiel in der JP 06 223850 A , offenbart ist, ein Wasserstoffdetektor in dem Abgasweg der aus der Brennstoffzelle ausgestoßenen Luft angeordnet, und falls dieser Wasserstoffdetektor Wasserstoff erfasst, die Zufuhr von Wasserstoffgas zu der Brennstoffzelle gestoppt.
  • Im Fall des oben beschriebenen herkömmlichen Verfahrens kann jedoch wegen der Beziehung zwischen der Erfassungssensitivität und der Erfassungsgenauigkeit des Wasserstoffdetektors ein Austreten von Wasserstoff nicht erfasst werden, solange es nicht ziemlich fortgeschritten ist. Daher ist es schwierig, ein Austreten von Wasserstoff zu erfassen, bevor es einen schädlichen Einfluss auf die Brennstoffzelle ausübt. Das heißt, ein Schaden an der Brennstoffzelle kann nicht früh erfasst werden.
  • Weiterhin ist es bei dem herkömmlichen Verfahren sogar dann, wenn erfasst wird, dass die Brennstoffzelle beschädigt worden ist, nicht möglich, die Stelle der Zelle in der Brennstoffzelle zu spezifizieren bzw. zu spezifizieren, welche Zelle abnorm (beschädigt) ist.
  • Aus den Druckschriften EP 0 486 654 B1 , EP 0 918 363 B1 und DE 195 23 260 C2 sind jeweils Verfahren bekannt, bei denen zur Überwachung von Brennstoffzellen eines Stapels im laufenden Betrieb jeweils eine aus mehreren Brennstoffzellen des Stapels bestehende Gruppe von Brennstoffzellen von einem gemeinsamen Sensor überwacht wird. Ein Zusammenbruch der Spannung einer einzelnen Zelle einer Gruppe wirkt sich daher auf den vom Sensor erfassten Wert nur schwach oder gar nicht aus. Um dennoch auch den Zusammenbruch der Spannung einer einzelnen Zelle aus einer Gruppe von Zellen detektieren zu können, ohne für jede Einzelzelle einen Sensor bereitstellen zu müssen, werden Vorschläge gemacht, im laufenden Betrieb des Brennstoffzellenstapels die von jedem Sensor laufend gemessenen Spannungssignale entweder untereinander oder mit einem laufend aktualisierten Mittelwert bzw. Grenzwert zu vergleichen.
    •
  • Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Abnormitäts-Erfassungsverfahren anzugeben, das auf den Einfluss zielt, den das Austreten der Reaktionsgase auf die Zellenspannung hat, und das einen Schaden an der Brennstoffzelle früh erfassen kann.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Zur Lösung der oben beschriebenen Probleme sieht ein erster Aspekt der Erfindung ein Abnormitäts-Erfassungsverfahren für eine Brennstoffzelle (zum Beispiel die Brennstoffzelle 1 bei den unten beschriebenen Ausführungsformen) gemäß Anspruch 1 vor. Die Brennstoffzelle umfasst eine Mehrzahl von Einheitszellen (zum Beispiel die Einheitszelle 55 bei den unten beschriebenen Ausführungsformen), die durch Zufuhr von Reaktionsgasen (zum Beispiel das Wasserstoffgas und die Luft bei den unten beschriebenen Ausführungsformen) zu einer Anode (zum Beispiel die Anode 52 bei den unten beschriebenen Ausführungsformen) und einer Kathode (zum Beispiel die Kathode 53 bei den unten beschriebenen Ausführungsformen) Elektrizität erzeugt. Die Abnormität der Brennstoffzelle wird aufgrund einer Spannung jeder der Einzelzellen nach einem vorbestimmten Zeitintervall seit dem Anhalten der Brennstoffzelle erfasst.
  • Wenn die Stromerzeugung der Brennstoffzelle angehalten ist, ist die Zufuhr der Reaktionsgase gestoppt, aber Reaktionsgase können in der Brennstoffzelle (Gasleitungen) verbleiben und daher wird die Zellenspannung für eine gewisse Zeit nach dem Anhalten der Brennstoffzelle aufrechterhalten. Falls es keine Abnormitäten in den Zellen gibt, sollte die Zellenspannung nach dem Anhalten ein vorbestimmtes Verhalten zeigen (Spannungsrückgang) und in dem Fall, in dem eine Abnormität in der Zelle auftritt, ist das Verhalten der Zellenspannung nach dem Anhalten von dem normalen Verhalten verschieden. Daher wird es möglich, aufgrund der nach einer vorbestimmten Zeitdauer von dem Anhalten erfassten Zellenspannung zu bestimmen, ob eine Brennstoffzelle abnorm ist, und es wird möglich, die Zelle zu spezifizieren, die abnorm ist. Weil die Abnormität aufgrund der Zellenspannung in einem Zustand erfasst wird, in dem die Zufuhr von Reaktionsgasen gestoppt worden ist, ist weiterhin die Genauigkeit der Bestimmung hoch und die Bestimmung, ob eine Abnormität vorliegt, kann innerhalb einer kurzen Zeitdauer durchgeführt werden.
  • Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Abnormitäts-Erfassungsverfahren für eine Brennstoffzelle (zum Beispiel die Brennstoffzelle 1 bei den unten beschriebenen Ausführungsformen) gemäß Anspruch 3. Die Brennstoffzelle umfasst eine Mehrzahl von Einheitszellen (zum Beispiel die Einheitszelle 55 bei den unten beschriebenen Ausführungsformen), die durch Zuführen von Reaktionsgasen (zum Beispiel das Wasserstoffgas und die Luft in den unten beschriebenen Ausführungsformen) zu einer Anode (zum Beispiel die Anode 52 bei den unten beschriebenen Ausführungsformen) und einer Kathode (zum Beispiel die Kathode 53 bei den unten beschriebenen Ausführungsformen) Strom erzeugt. Aufgrund der Geschwindigkeit des Abnehmens der Spannung in jeder Zelle nach dem Anhalten der Brennstoffzelle werden Abnormitäten in der Brennstoffzelle erfasst.
  • Wenn die Stromerzeugung der Brennstoffzelle angehalten ist, ist die Zufuhr der Reaktionsgase gestoppt, aber Reaktionsgase können in der Brennstoffzelle (Gasleitungen) verbleiben, und daher wird die Zellenspannung für eine gewisse Zeit nach dem Anhalten der Brennstoffzelle aufrechterhalten. Falls keine Abnormitäten in den Zellen auftreten, sollte die Ge schwindigkeit der Abnahme der Spannung jeder Zelle nach dem Anhalten beinahe identisch sein, und in dem Fall, in dem eine abnorme Zelle auftritt, wird die Geschwindigkeit der Abnahme der Spannung der abnormen Zelle größer als die Geschwindigkeit der Abnahme der Spannung einer normalen Zelle sein. Daher wird es möglich, eine Abnormität in einer Brennstoffzelle aufgrund der Geschwindigkeit der Abnahme der Spannung jeder Zelle nach dem Anhalten der Brennstoffzelle zu erfassen, und es wird möglich, zu spezifizieren, dass die Zelle abnorm ist. Weil die Abnormität aufgrund der Geschwindigkeit der Abnahme der Zellenspannung in einem Zustand erfasst wird, in dem die Zufuhr der Reaktionsgase gestoppt worden ist, ist weiterhin die Genauigkeit der Bestimmung hoch und innerhalb einer kurzen Zeit kann bestimmt werden, ob eine Abnormität vorliegt.
  • Vorzugsweise erfolgt das Einstellen des Bestimmungsschwellenwerts, der das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Abnormität anzeigt, abhängig von dem Betriebszustand der Brennstoffzelle.
  • Der Betriebszustand der Brennstoffzelle vor dem Anhalten der Brennstoffzelle beeinflusst das Verhalten der Zellenspannung beim Ausführen der Abnormitäts-Erfassungsprozedur nach dem Anhalten der Brennstoffzelle. Zum Beispiel wird die Geschwindigkeit des Rückgangs der Zellenspannung umso größer, je größer die Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode vor dem Anhalten war, weil das Austreten der Reaktionsgase nach dem Anhalten schnell ist. Je höher der Feuchtigkeitsgrad der Reaktionsgase vor dem Anhalten war, desto größer wird die Geschwindigkeit des Rückgangs der Zellenspannung nach dem Anhalten, weil das Ausstoßen aus der Zelle beschleunigt ist. Aber durch Einstellen des Schwellenwerts, der das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Abnormität in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Brennstoffzelle anzeigt, kann die Genauigkeit der Bestimmung erhöht werden.
  • In einem dritten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Abnormitäts-Erfassungsverfahren für eine Brennstoffzelle (zum Beispiel die Brennstoffzelle 1 bei den unten beschriebenen Ausführungsformen) gemäß Anspruch 7 dar. Die Brennstoffzelle umfasst eine Mehrzahl von Einheitszellen (zum Beispiel die Einheitszelle 55 bei den unten beschriebenen Ausführungsformen), die durch Zuführen von Reaktionsgasen (zum Beispiel das Wasserstoffgas und die Luft in den unten beschriebenen Ausführungsformen) zu einer Anode (zum Beispiel die Anode 52 bei den unten beschriebenen Ausführungsformen) und einer Kathode (zum Beispiel die Kathode 53 bei den unten beschriebenen Ausführungsformen) Strom erzeugt. Eine Abnormität der Brennstoffzelle wird aufgrund der Verteilung der Spannungen jeder Zelle nach dem Anhalten der Brennstoffzelle erfasst.
  • Wenn die Stromerzeugung der Brennstoffzelle angehalten ist, ist die Zufuhr der Reaktionsgase gestoppt, aber Reaktionsgase können in der Brennstoffzelle (Gasleitungen) verbleiben, und daher wird nach dem Anhalten der Brennstoffzelle für eine gewisse Zeit die Zellenspannung aufrechterhalten. Wenn keine Abnormitäten in den Zellen auftreten, sollte die Geschwindigkeit des Rückgangs jeder Zellenspannung nach dem Anhalten beinahe identisch sein und in dem Fall, in dem eine Abnormität in der Zelle auftritt, beeinflusst die Zelle, bei der die Abnormität aufgetreten ist, die angrenzenden Zellen, und die Zellenspannung zeigt eine vorbestimmte Verteilung. Daher wird es möglich, zu erfassen, ob eine Brennstoffzelle abnorm ist aufgrund der Verteilung der Spannungen jeder Zelle nach dem Anhalten der Brennstoffzelle und es wird möglich, zu spezifizieren, dass die Zelle abnorm ist. Weil die Abnormität aufgrund der Verteilung der Spannungen jeder Zelle in einem Zustand erfasst wird, in dem die Zufuhr der Reaktionsgase gestoppt ist, ist die Genauigkeit der Bestimmung hoch und die Bestimmung, ob eine Abnormität auftritt, kann innerhalb einer kurzen Zeitdauer ausgeführt werden.
  • Vorzugsweise wird eine Abnormitäts-Erfassung auch vor dem Anhalten der Brennstoffzelle in dem Fall, in dem die Brennstoffzelle stabil läuft in einem Leerlaufstoppzustand oder Zwangsstoppzustand durchgeführt.
  • Aufgrund dieses Strukturtyps ist es möglich, Fehlbestimmungen zu vermeiden.
  • Vorzugsweise wird in dem Fall, dass eine Abnormität in der Brennstoffzelle erfasst worden ist, der Betriebsdruck der Reaktionsgase während einer nachfolgenden Stromerzeugung auf ein Niveau begrenzt, das niedriger ist, als bevor die Abnormität erfasst worden ist.
  • Aufgrund dieses Strukturtyps ist es möglich, die Austrittsmenge der Reaktionsgase während der Stromerzeugung beim nächsten Mal und danach zu reduzieren.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Strukturdiagramm des Brennstoffzellensystems, das eine Brennstoffzelle vorsieht, die Abnormitäten unter Verwendung des Abnormitäts-Erfassungsverfahrens der vorliegenden Erfindung erfasst.
  • 2 ist ein Querschnittsdiagramm der Brennstoffzelle.
  • 3 ist eine Zeichnung, die einen Vergleich der Geschwindigkeit des Rückgangs der Zellenspannung bei einer normalen Zelle und einer abnormen Zelle zeigt.
  • 4 ist eine Zeichnung, die ein Beispiel der Verteilung aller Zellenspannungen in der Brennstoffzelle zeigt.
  • 5 ist ein Flussdiagramm der Abnormitäts-Erfassungsprozedur bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 6 ist ein Beispiel eines Schwellenwert-Kompensationskoeffizienten-Kennfelds aufgrund der Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode.
  • 7 ist ein Beispiel eines Schwellenwert-Kompensationskoeffizienten-Kennfelds aufgrund des Feuchtigkeitsgrads der Reaktionsgase.
  • 8 ist ein Flussdiagramm der Abnormitäts-Erfassungsprozedur bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 9 ist ein Flussdiagramm der Abnormitäts-Erfassungsprozedur bei einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    •
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im Folgenden werden die Ausführungsformen des Abnormitäts-Erfassungsverfahrens bei einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 9 erläutert. Weiterhin werden die unten erläuterten Ausführungsformen auf eine in einem Brennstoffzellenfahrzeug angebrachte Brennstoffzelle angewendet.
  • Erste Ausführungsform
  • Zunächst wird die erste Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 7 erläutert.
  • 1 ist eine schematische Strukturzeichnung des Brennstoffzellensystems und 2 ist eine Zeichnung, welche einen Querschnitt eines Teils der Brennstoffzelle 1 zeigt. Zunächst wird die Brennstoffzelle 1 unter Bezugnahme auf 2 erläutert. Die Brennstoffzelle 1 ist eine Brennstoffzelle, die eine Festpolymer-Elektrolytmembran besitzt und beispielsweise Stapel umfasst, die gebildet sind durch Stapeln einer Mehrzahl von Einheitszellen 55, wobei die Einheitszellen 55 gebildet sind durch eine Festpolymer-Elektrolytmembran 51, die beispielsweise eine Festpolymer-Ionenaustauschmembran umfasst, die zwischen eine Anode 52 und eine Kathode 53 von beiden Seiten eingefügt ist, und danach ein Paar von Separatoren 54 und 54 auf deren Außenseite eingefügt wird. Jede Einheitszelle 55 umfasst eine Wasserstoffgasleitung 56, die Wasserstoffgas (Reaktionsgas) als ein Brenngas zuführt, eine Luftleitung 57, die Sauerstoff enthaltende Luft (Reaktionsgas) als ein Oxidationsgas zuführt, und eine Kühlmittelleitung 58, die ein Kühlmittel zuführt. Weiterhin wandern die durch die katalytische Reaktion an der Anode 52 erzeugten Wasserstoffionen zu der Kathode, indem sie durch die Festpolymer-Elektrolytmembran 51 hindurchströmen, und Strom wird durch Verursachen einer elektrochemischen Reaktion mit dem Sauerstoff an der Kathode 53 erzeugt. Die Kühlmittelleitung 58 wird durch ein durch die Kühlmittelleitung 58 zirkulierendes Kühlmittel gekühlt, das die Wärme aufnimmt, so dass die Brennstoffzelle aufgrund der die Stromerzeugung begleitenden Wärme eine vorbestimmte Temperatur nicht überschreitet.
  • Zusätzlich ist bei der Brennstoffzelle 1 der Spannungssensor (V) zur Erfassung der Ausgangsspannung jeder der Einheitszellen 55 mit den Separatoren 54 und 54 jeder der Einheitszellen 55 verbunden, und das Ausgangssignal des Spannungssensors 21 wird in die ECU 20 eingegeben. Weiterhin ist in 1 zur Vereinfachung der Zeichnung nur ein Spannungssensor 21 gezeigt.
  • Als Nächstes wird das Brennstoffzellensystem unter Bezugnahme auf 1 erläutert. Die Luft wird durch einen Luftkompressor 2 komprimiert und der Luftleitung 57 der Brennstoffzelle zugeführt, nachdem sie durch den Kathodenbefeuchter 3 befeuchtet worden ist, und der Sauerstoff in der Luft wird zur Stromerzeugung als Oxidationsmittel zugeführt. Nachfolgend wird die Luft als Abgas von der Brennstoffzelle entfernt und in die Umgebung über das Drucksteuer/regelventil 4 ausgestoßen. Der Luftkompressor 2 wird durch die ECU 20 zyklisch gesteuert/geregelt derart, dass die Menge der der Brennstoffzelle 1 zugeführten Luft von der von der Brennstoffzelle 1 geforderten Ausgabe abhängt. Zusätzlich führt das Drucksteuer/regelventil 4 eine Öffnungssteuerung/regelung durch die ECU 20 durch, derart, dass der Druck der der Brennstoffzelle 1 zugeführten Luft einen Druckwert annimmt, der von dem Betriebszustand der Brennstoffzelle 1 abhängt.
  • Weiterhin wird die der Brennstoffzelle 1 zugeführte Luft derart gesteuert/geregelt, dass je größer die erforderliche Stromerzeugung der Brennstoffzelle 1 ist, desto größer die Zufuhr der Luft zu der Brennstoffzelle 1 ist und gleichzeitig der Luftzufuhrdruck derart gesteuert/geregelt wird, dass er groß wird.
  • Im Gegensatz hierzu wird der Druck des aus dem Hochdruckwasserstofftank (nicht gezeigt) ausgestoßenen Wasserstoffs durch das Brennstoffzufuhrsteuer/regelventil 5 reduziert und danach wird das Wasserstoffgas durch den Anodenbefeuchter 7 befeuchtet und der Wasserstoffgasleitung 56 der Brennstoffzelle 1 durch die Ausstoßvorrichtung 6 zugeführt. Nachdem dieses Wasserstoffgas zur Stromerzeugung zugeführt worden ist, wird nicht reagiertes Wasserstoffgas als Wasserstoff aus der Brennstoffzelle 1 entfernt, es wird in die Ausstoßvorrichtung 6 durch den Wasserstoffabgas-Wiedergewinnungspfad 8 gesaugt, mit dem von dem Hochdruck-Wasserstofftank zugeführten Wasserstoffgas vermischt und der Brennstoffzelle 1 wieder zugeführt.
  • Weiterhin wird die durch den Kathodenbefeuchter 3 befeuchtete Luft der Kathode 53 der Brennstoffzelle 1 zugeführt und das durch den Anodenbefeuchter 7 befeuchtete Wasserstoffgas wird der Anode 52 der Brennstoffzelle 1 zugeführt und dadurch wird die Ionenleitfähigkeit der Festpolymer-Elektrolytmembran 51 der Brennstoffzelle 1 in einem vorbestimmten Zustand gehalten.
  • Das Brennstoffzufuhrsteuer/regelventil 5 umfasst zum Beispiel ein Partialdrucksteuer/regelventil und führt eine Steuerung/Regelung derart durch, dass der Druck der von dem Luftkompressor 2 zugeführten Luft über den Luftsignaleinlasspfad 9 als ein Signaldruck (Referenzdruck) eingegeben wird und der Druck des Wasserstoffgases in dem Brennstoffzufuhrsteuer/regelventil-5-Auslass innerhalb eines vorbestimmten Druckbereichs abhängig von diesem Signaldruck gehalten wird. Weiterhin wird, wie oben beschrieben worden ist, die der Brennstoffzelle 1 zugeführte Luft derart gesteuert/geregelt, dass je größer die erforderliche Stromerzeugung der Brennstoffzelle 1 ist, desto größer der Luftzufuhrdruck ist, und daher wird das unter Verwendung des Luftzufuhrdrucks als Referenzdruck gesteuerte/geregelte Wasserstoffgas ebenso derart gesteuert/geregelt, dass je größer die erforderliche Stromerzeugung der Brennstoffzelle ist, desto größer der Wasserstoffzufuhrdruck ist.
  • Der Wasserstoffabgas-Wiedergewinnungspfad 8 sieht ein Entleerventil 10 vor und das Öffnen des Entleerventils wird durch die ECU 20 gesteuert/geregelt, wenn vorbestimmte Bedingungen erfüllt sind. Wasser wird nach draußen abgelassen, um so nicht in der Wasserstoffleitung 56 der Brennstoffzelle zu verbleiben.
  • Zusätzlich wird der Druck des Kühlmittels zum Kühlen der Brennstoffzelle 1 durch die Wasserpumpe (WP) 11 erhöht und dann dem Kühler 12 zugeführt. In dem Kühler 12 kühlt das Kühlmittel durch Abstrahlen der Wärme nach draußen ab und nachfolgend wird es der Brennstoffzelle 1 zu geführt, nimmt die Wärme von der Brennstoffzelle 1 auf, wenn es durch die Kühlmittelleitung 58 innerhalb der Brennstoffzelle 1 strömt, und kühlt dadurch die Brennstoffzelle 1. Dadurch kehrt das erwärmte Kühlmittel wieder zu dem Kühler 12 über die Wasserpumpe 11 zurück, um gekühlt zu werden.
  • In einem in dieser Art und Weise aufgebauten Brennstoffzellensystem wird die Zufuhr von Luft durch Anhalten des Luftkompressors 2 gestoppt, um die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 1 zu stoppen. Zur selben Zeit wird die Zufuhr von Wasserstoffgas durch Schließen des Brennstoffzufuhrsteuer/regelventils 5 gestoppt. Auf diese Art und Weise können sogar dann, wenn die Zufuhr der Reaktionsgase gestoppt ist, Reaktionsgase in der Brennstoffzelle 1 unmittelbar nach einem Anhalten verbleiben. Daher wird die Zellenspannung für eine gewisse Zeit nach dem Anhalten der Brennstoffzelle aufrechterhalten. Das in der Wasserstoffgasleitung 56 verbleibende Wasserstoffgas tritt jedoch von dem Dichtungsteil zwischen den Separatoren 54 aus und wird allmählich von dem Gaszufuhrauslass und dem Gasausstoßauslass ausgestoßen und die aufrecht erhaltene Spannung in der Zelle nimmt ab. Wenn die Zellenspannung jeder der Einheitszellen 55 unmittelbar nach einem Anhalten gemessen wird, nimmt daher die Zellenspannung allmählich von dem Zellenspannungswert jeder der Zellen, der direkt nach dem Anhalten erfasst wird, ab, und letztendlich sinken die Zellenspannungen jeder der Einheitszellen 55 auf null.
  • Für den Fall, dass Abnormitäten, wie sich in der Festpolymer-Elektrolytmembran 51 öffnende Löcher oder wie sich in den Separatoren 54 öffnende Löcher, bedingt durch Verschlechterung der Einheitszellen 55 im Laufe der Zeit, existieren, tritt hier das Wasserstoffgas in der Wasserstoffgasleitung 56 allmählich in die Luftleitung 57 durch die Löcher aus, weil die Wasserstoffgasleitung 56 und die Luftleitung 57 der Einheitszelle 55 über diese Löcher in Verbindung stehen, und die Differenz der Wasserstoffkon zentration zwischen der Wasserstoffgasleitung 56 und der Luftleitung 57 nimmt schneller ab als bei einer normalen Einheitszelle 55.
  • Als Ergebnis ist die Geschwindigkeit der Abnahme der Zellenspannung in einer Einheitszelle 55 mit einer Abnormität größer als die Abnahme bei der Zellenspannung einer normalen Einheitszelle 55. 3 ist ein Vergleichsbeispiel der Geschwindigkeit der Abnahme der Zellenspannung bei einer abnormen Einheitszelle 55 und einer normalen Einheitszelle 55. In dieser Figur zeigt die durchgezogene Linie die normale Einheitszelle 55 und die gepunktete Linie zeigt die abnorme Einheitszelle 55. Weil die Zufuhr von Reaktionsgasen während des Anhaltens der Brennstoffzelle 1 gestoppt ist, erscheint hier der Unterschied der Geschwindigkeit der Abnahme der Zellenspannung auffallend.
  • Daher ist die Zellenspannung nach dem Vergehen eines vorbestimmten Zeitintervalls seit dem Anhalten der Brennstoffzelle 1 niedriger für die Zellenspannung einer abnormen Einheitszelle 55 als für die Zellenspannung einer normalen Einheitszelle 55.
  • Zusätzlich ist 4 ein Beispiel des Ergebnisses einer Messung der Zellenspannung jeder der Zellen 55 nach dem Vergehen eines vorbestimmten Zeitintervalls seit dem Anhalten der Brennstoffzelle 1, die n-Zellen 55 umfasst, entnehmbar. Die Zellenspannung der n-ten Einheitszelle 55, die eine Abnormität aufweist, ist die niedrigste und um diese herum wird eine ungefähr V-förmige Zellenspannungsverteilung (im Folgenden der "ungefähr V-förmige Verteilungsteil" genannt) Y erzeugt.
  • Bei einer normalen Einheitszelle 55 und einer abnormen Einheitszelle 55 ist das Verhalten der Zellenspannungen nach Anhalten des Betriebs der Brennstoffzelle 1 unterschiedlich und daher kann unter Verwendung dieses Verhaltensunterschieds die Abnormität der Brennstoffzelle 1 erfasst wer den. Dies begründet das Abnormitäts-Erfassungsprinzip der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung.
  • Als Nächstes wird die Abnormitäts-Erfassungsprozedur für die Brennstoffzelle bei der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm in 5 erläutert.
  • Bei dieser Ausführungsform beginnt die Abnormitäts-Erfassungsprozedur durch Verwenden des AUS-Signals des Zündungs(IG)-Schalters als ein Trigger (Schritt S101).
  • Zusätzlich wird in Schritt S102 bestimmt, ob die Brennstoffzelle 1 für ein vorbestimmtes Zeitintervall oder mehr, bevor der Zündungsschalter AUSgeschaltet wird, stabil Strom erzeugt (mit anderen Worten, ob Reaktionsgase stabil zugeführt werden).
  • Für den Fall, dass das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S102 NEIN ist (Stromerzeugung ist nicht stabil, bevor die Zündung AUSgeschaltet ist), wird die Ausführung der vorliegenden Routine zeitweise angehalten. Das heißt in diesem Fall wird die Erfassung von Abnormitäten nicht ausgeführt. Dies geschieht, weil zur Erfassung einer Abnormität, wenn Reaktionsgase nicht stabil zugeführt werden, bevor die Brennstoffzelle 1 angehalten ist, eine korrekte Abnormitätsidentifizierung nicht durchgeführt werden kann, weil das Verhalten der Zellenspannung nach einem Anhalten unstabil ist. Weiterhin gibt es in dem Fall, in dem die Bestimmung in Schritt S102 NEIN ergibt, Fälle, bei denen zum Beispiel der Zündungsschalter zeitweise EINgeschaltet ist, aber dann sofort AUSgeschaltet wird.
  • Weiterhin beruht bei dieser Ausführungsform die Bedingung zum Starten der Abnormitäts-Erfassungsprozedur auf der Betätigung des Zündungsschalters, der durch den Benutzer AUSgeschaltet wird, aber wenn die Brennstoffzelle stabil Strom erzeugt, kann die Bedingung zum Starten der Abnormitäts-Erfassungsprozedur auf dem Leerlaufstopp oder einem Zwangsstopp beruhen, um Abnormitäten zu erfassen.
  • Für den Fall, dass das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S102 JA ist (Strom wird stabil erzeugt, bevor der Zündungsschalter AUSgeschaltet wird), schreitet die Prozedur zu Schritt S103 fort, und es wird bestimmt, ob ein vorbestimmtes Zeitintervall (zum Beispiel 10 Sekunden) vergangen ist, nachdem der Zündungsschalter AUSgeschaltet worden ist. Für den Fall, dass das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S103 NEIN ist (bevor ein vorbestimmtes Zeitintervall vergangen ist), kehrt die Prozedur nach Schritt S103 zurück. Dies geschieht, weil dann, wenn ein vorbestimmtes Zeitintervall nicht vergangen ist, nachdem der Zündungsschalter AUSgeschaltet worden ist, die Differenz der Zellenspannungen zwischen der abnormen Einheitszelle 55 und der normalen Einheitszelle 55 klein ist und die Genauigkeit der Bestimmung sich verschlechtert.
  • Für den Fall, dass das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S103 JA ist (nach dem Vergehen eines vorbestimmten Zeitintervalls), schreitet die Prozedur zu Schritt S104 fort, es werden die Zellenspannungen jeder der Zellen 55 gelesen, wird der Durchschnittswert der Zellenspannungen (im Folgenden als "Durchschnittszellenspannung" bezeichnet) berechnet und bestimmt, ob die Differenz zwischen der niedrigsten Zellenspannung (unten als die "niedrigste Zellenspannung" bezeichnet) unter allen Zellenspannungen subtrahiert von der Durchschnittszellenspannung gleich oder größer als ein Warnungsschwellenwert V1 ist.
  • Für den Fall, dass das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S104 JA ist (Durchschnittszellenspannung – niedrigste Zellenspannung ≥ V1), schreitet die Prozedur zu Schritt S105 fort und es wird bestimmt, ob die Differenz zwischen der Durchschnittszellenspannung minus der niedrigsten Zellenspannung gleich oder größer als ein Fehlerschwellenwert V2 ist. Hier wird der Fehlerwert V2 größer eingestellt als der Warnungsschwellenwert (V2 > V1).
  • Für den Fall, dass das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S105 JA ist (Durchschnittszellenspannung – niedrigste Zellenspannung ≥ V2), ist der Grad der Abnormität (Verschlechterung und Schaden) groß und daher wird die Fehlerlampe eingeschaltet und die nachfolgende Erzeugung von Strom verhindert (Schritt S106). Ferner wird bestimmt, dass eine Abnormität (Verschlechterung oder Schaden) in der Einheitszelle 55 auftritt, die als Zellennummer mit der niedrigsten Zellenspannung erfasst wird (Schritt S107), nachfolgend wird die Zellennummer in den Backup-Speicher der ECU 20 geschrieben, um herangezogen zu werden, wenn die Brennstoffzelle 1 repariert wird (Zellenaustausch) (Schritt S108) und die Abnormitäts-Erfassungsprozedur endet.
  • Im Gegensatz hierzu ist in dem Fall, in dem das Ergebnis der Bestimmung NEIN ist (Durchschnittszellenspannung – niedrigste Zellenspannung < V2), trotz der Tatsache, dass eine Abnormität in der Einheitszelle 55 mit der Zellennummer, in der die niedrigste Zellenspannung entdeckt worden ist, beobachtet werden kann, der Grad von Abnormität (Verschlechterung oder Schaden) klein und daher wird das Warnlicht eingeschaltet und nachfolgend die Stromerzeugung auf einen Ausgabebegrenzungsmodus eingestellt (Schritt S109). Wie oben beschrieben, führt die Brennstoffzelle 1 eine derartige Steuerung/Regelung so durch, dass je größer der erforderliche Strom (Ausgabe) wird, desto größer der Wasserstoffzufuhrdruck wird. Daher wird dann, wenn die Ausgabe der Brennstoffzelle 1 groß gemacht wird, die Menge von Wasserstoffgas, das aus der Wasserstoffgasleitung 56 zu der Luftleitung 57 austritt, groß. Wenn eine Zelle mit einer Abnormität von niedrigem Grad gefunden wird, befindet sich daher die nachfolgende Stromerzeugung in einem Ausgabebegrenzungsmodus und die Brennstoffzelle 1 wird betrieben, indem die Ausgabe der Brennstoffzelle 1 stärker begrenzt ist, als wenn sie sich in einem normalen Betriebsmodus befindet, und dadurch wird das Austreten des Wasserstoffs verringert. Das heißt für den Fall, dass eine Abnormität in der Brennstoffzelle 1 erfasst wird, wird der Betriebsdruck der Reaktionsgase während nachfolgender Stromerzeugung auf ein Niveau begrenzt, das niedriger ist als vor der Erfassung der Abnormität.
  • Nachfolgend wird bestimmt, dass eine Abnormität bei der Brennstoffzelle 55 mit der Zellennummer, bei der die niedrigste Zellenspannung erfasst worden ist, auftritt (Schritt S107), die Zellennummer wird in den Backup-Speicher der ECU 20 geschrieben (Schritt S108) und die Abnormitäts-Erfassungsprozedur endet.
  • Zusätzlich wird in dem Fall, in dem das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S104 NEIN ist (Durchschnittszellenspannung – niedrigste Zellenspannung > V1) bestimmt, dass alle Zellen 55 normal sind, die nachfolgende Stromerzeugung wird im Normalbetriebsmodus eingestellt (Schritt S110) und die Abnormitäts-Erfassungsprozedur endet.
  • In dieser Art und Weise kann bei der ersten Ausführungsform die Abnormität der Brennstoffzelle 1 schnell und genau (hohe Genauigkeit) erfasst werden, weil eine Abnormität bei der Brennstoffzelle aufgrund der Zellenspannungen nach dem Vergehen eines vorbestimmten Zeitintervalls seit dem Anhalten der Brennstoffzelle 1 erfasst wird. Ferner kann die Zelle mit der Abnormität spezifiziert werden.
  • Weiterhin wird bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform die Spannungsdifferenz zwischen der Durchschnittszellenspannung und der niedrigsten Zellenspannung berechnet und diese Spannungsdifferenz wird mit einem Fehlerschwellenwert V2 oder einem Warnungsschwellenwert V1 verglichen. Stattdessen kann jedoch eine Referenzveränderung der Zellenspannungen aller Zellen 55 berechnet werden und die Abnormitätsbestimmung kann durch Vergleichen dieser Referenzveränderung mit dem Fehler schwellenwert V2 oder dem Warnungsschwellenwert V1 durchgeführt werden.
  • Zusätzlich beeinflusst der Betriebszustand der Brennstoffzelle vor dem Ausführen der Abnormitäts-Erfassungsprozedur das Verhalten der Zellenspannungen nach dem Anhalten der Brennstoffzelle 1. Zum Beispiel, je größer der Differenzdruck zwischen der Anode und der Kathode vor dem Anhalten und je höher die Feuchtigkeit der Reaktionsgase vor dem Anhalten ist, desto mehr beschleunigt sich die Geschwindigkeit des Rückgangs der Zellenspannungen. Wenn der Warnungsschwellenwert V1 und der Fehlerschwellenwert V2, welche die Bestimmungsschwellenwerte sind, in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennstoffzelle eingestellt und aktualisiert werden, kann daher die Genauigkeit der Bestimmung erhöht werden.
  • Daher werden der Bestimmungsschwellenwert-Kompensationskoeffizient aufgrund der Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode und der Bestimmungsschwellenwert-Kompensationskoeffizient Kh aufgrund des Feuchtigkeitsgrads experimentell im Voraus bestimmt, derart, dass, je größer die Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode ist, desto größer der Bestimmungsschwellenwert ist und je kleiner die Druckdifferenz ist, desto kleiner der Bestimmungsschwellenwert ist, bzw. je größer der Feuchtigkeitsgrad der Reaktionsgase ist, desto größer die Bestimmungsschwellenwerte werden und je kleiner der Feuchtigkeitsgrad ist, desto kleiner der Bestimmungsschwellenwert wird. Danach wird dies in dem ROM der ECU 20 als ein Bestimmungsschwellenwert-Kompensationskoeffizienten-Kennfeld gespeichert, wie es in 6 und 7 gezeigt ist. Während der Abnormitäts-Erfassungsprozedur werden die Bestimmungsschwellenwert-Kompensationskoeffizienten Kpd und Kh in Abhängigkeit von dem Betriebszustand vor dem Anhalten der Brennstoffzelle 1 berechnet und der Fehlerschwellenwert V1 und der Warnungsschwellenwert V2 werden aufgrund der folgenden Gleichung kompensiert. Der kompensierte Fehlerschwellenwert V1' und Warnungsschwellenwert V2' werden in Schritt S104 und Schritt S105 benutzt. V1' = V1·Kpd·Kh Gleichung 1 V2' = V2·Kpd·Kh Gleichung 2
  • Zweite Ausführungsform
  • Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm in 8 eine zweite Ausführungsform des Abnormitäts-Erfassungsverfahrens für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.
  • Bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform wird die Spannungsdifferenz zwischen der Durchschnittszellenspannung und der niedrigsten Zellenspannung nach dem Vergehen einer vorbestimmten Zeitdauer von dem Anhalten der Brennstoffzelle 1 oder eine Referenzveränderung berechnet und die Abnormitätsbestimmung wird durch Vergleichen derselben mit einem Bestimmungsschwellenwert durchgeführt. Bei der zweiten Ausführungsform wird jedoch die Steigung der Abnahme (d.h. die Geschwindigkeit der Abnahme) der Zellenspannungen jeder der Zellen 55 berechnet und die Abnormitätsbestimmung wird durchgeführt, indem die Steigung des Rückgangs mit dem Bestimmungsschwellenwert verglichen wird.
  • Weiterhin ist der Aufbau des Brennstoffzellensystemsidentisch mit dem bei der ersten Ausführungsform und daher wurde die Erläuterung desselben weggelassen und nur das Abnormitäts-Erfassungsverfahren wird erläutert.
  • Zuerst startet die Abnormitäts-Erfassungsprozedur unter Verwendung des AUS-Signals von dem Zündungs(IG)-Schalter, das als Trigger dient (Schritt S201).
  • Weiterhin wird in Schritt S202 bestimmt, ob über einen gleichen oder einen größeren Zeitraum als ein vorbestimmtes Zeitintervall hinweg, bevor der Zündungsschalter AUSgeschaltet worden ist, die Brennstoffzelle 1 stabil Strom erzeugt hat (d.h. ob die Reaktionsgase stabil zugeführt worden sind).
  • Für den Fall, dass das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S202 NEIN ist (die Stromerzeugung vor dem Schalten des Zündungsschalters nach AUS war nicht stabil), wird die Ausführung dieser Routine zeitweise angehalten. Das heißt, in diesem Fall wird die Abnormitätserfassung nicht ausgeführt. Dies geschieht, weil zur Erfassung von Abnormitäten, wenn die Reaktionsgase vor dem Anhalten der Brennstoffzelle 1 nicht stabil zugeführt worden sind, das Verhalten der Zellenspannungen nach dem Anhalten unstabil ist und daher eine korrekte Abnormitätsbestimmung nicht durchgeführt werden kann.
  • Weiterhin ist bei dieser Ausführungsform die Startbedingung für die Abnormitäts-Erfassungsprozedur die Betätigung des Zündungsschalters nach AUS durch die Bedienungsperson, aber wenn die Brennstoffzelle 1 stabil Strom erzeugt, kann ebenso ein Leerlaufstopp oder ein Zwangsstopp zur Abnormitätserfassung die Startbedingung für die Abnormitäts-Erfassungsprozedur sein.
  • In dem Fall, in dem das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S202 JA ist (die Stromerzeugung vor dem Schalten des Zündungsschalters nach AUS war stabil), schreitet die Prozedur zu Schritt S203 fort, und es wird bestimmt, ob die Feuchtigkeit der Reaktionsgase, die Temperatur der Brennstoffzelle 1 und die Zufuhrdrücke der Reaktionsgase jeweils innerhalb eines Bereichs von vorbestimmten Zuständen sind. In dem Fall, in dem das Ergebnis der Bestimmungen in Schritt S203 NEIN ist (die Bedingungen sind nicht erfüllt), wird die Ausführung dieser Routine zeitweise angehalten. Das heißt, in diesem Fall kann die Abnormitätserfassung nicht ausgeführt werden. Der Grund hierfür ist, dass das Verhalten der Zellenspannungen nach dem Anhalten unstabil ist, wenn die Reaktionsgase nicht stabil zugeführt werden und daher eine korrekte Abnormitätsbestimmung nicht durchgeführt werden kann.
  • In dem Fall, in dem das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S203 JA ist (die Bedingungen sind erfüllt), sind die Ausführungsbedingungen für die Abnormitäts-Bestimmungsprozedur erfüllt und daher schreitet die Prozedur zu Schritt S204 fort, die Steigung des Rückgangs der Zellenspannungen für jede der Zellen 55 wird berechnet und es wird bestimmt, ob die Steigung des Rückgangs der Zellenspannungen jeder der Zellen 55 gleich oder größer als der Warnungsschwellenwert VS1 ist.
  • Für den Fall, dass das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S204 JA ist (die Steigung des Rückgangs der Zellenspannungen ist ≥ VS1), schreitet die Prozedur zu Schritt S205 fort, und es wird bestimmt, ob die Steigung des Rückgangs der Zellenspannungen in den Zellen, die gleich oder größer als der Warnungsschwellenwert VS1 sind, gleich oder größer als der Fehlerschwellenwert VS2 sind. Hier ist der Fehlerschwellenwert VS2 größer eingestellt als der Warnungsschwellenwert VS1 (VS2 > VS1).
  • Für den Fall, dass das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S205 JA ist (die Steigung des Rückgangs der Zellenspannungen ist ≥ VS2), ist der Grad der Abnormität (Verschlechterung und Schaden) groß und daher wird die Fehlerlampe eingeschaltet und nachfolgende Stromerzeugung wird verhindert (Schritt S206). Ferner wird bestimmt, dass die Einheitszelle 55 mit der Zellennummer, deren Steigung des Rückgangs der Zellenspannung gleich oder größer als der Fehlerschwellenwert VS2 ist (d.h. gleich oder größer als der Warnungsschwellenwert VS1), eine Abnormität aufweist (Verschlechte rung oder Schaden) (Schritt S207), und nachfolgend wird diese Zellennummer in den Backup-Speicher der ECU 20 zur Berücksichtigung beim Reparieren (Zellenaustausch) der Brennstoffzelle 1 (Schritt S208) geschrieben und die Abnormitäts-Erfassungsprozedur endet.
  • Für den Fall, dass das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S205 NEIN ist (die Steigung des Rückgang der Zellenspannung ist < VS2), ist der Grad von Abnormität (Verschlechterung und Schaden) klein, obwohl Abnormitäten in der Einheitszelle 55, deren Steigung des Rückgangs der Zellenspannung gleich oder größer als der Fehlerschwellenwert VS1 ist, erkannt werden können, und daher wird die Warnlampe eingeschaltet und nachfolgende Stromerzeugung wird in einem Ausgabebegrenzungsmodus durchgeführt (Schritt S209). Die Gründe für das Einstellen der nachfolgenden Stromerzeugung auf einen Ausgabebegrenzungsmodus sind dieselben wie diejenigen bei der ersten Ausführungsform und dienen dazu, das Austreten von Wasserstoff während nachfolgender Stromerzeugung zu unterdrücken. Nachfolgend wird bestimmt, dass die Einheitszelle 55 mit einer Zellennummer, deren Steigung des Rückgangs der Zellenspannung gleich oder größer als der Schwellenwert VS1 ist, abnorm ist (Schritt S207), diese Zellennummer wird in den Backup-Speicher der ECU 20 geschrieben (Schritt S208) und die Abnormitäts-Erfassungsprozedur endet.
  • Für den Fall, dass das Ergebnis in Schritt S204 NEIN ist (die Steigung des Rückgangs der Zellenspannung ist < VS1), wird bestimmt, dass alle Zellen 55 normal sind, die nachfolgende Stromerzeugung wird auf Normalbetriebsmodus eingestellt (Schritt S210) und die Abnormitäts-Erfassungsprozedur endet.
  • In dieser Art und Weise werden bei der zweiten Ausführungsform Abnormitäten der Brennstoffzelle 1 erfasst aufgrund der Geschwindigkeit des Rückgangs der Zellenspannungen, wenn die Zufuhr der Reaktionsgase gestoppt worden ist, und daher können die Abnormitäten der Brennstoffzelle 1 schnell und genau (mit hoher Präzision) erfasst werden.
  • Auch bei dem Verfahren zur Erfassung von Abnormitäten in der Brennstoffzelle in der zweiten Ausführungsform können ein Fehlerschwellenwert VS2 und ein Warnungsschwellenwert VS1 gemäß dem Betriebszustand (d.h. der Druckdifferenz zwischen der Anode und Kathode und dem Feuchtigkeitsgrad der Reaktionsgase) der Brennstoffzelle 1 vor dem Anhalten festgelegt werden und aktualisiert werden und wird dadurch bevorzugt, weil die genauigkeit der Bestimmungsprozedur erhöht werden kann.
  • Dritte Ausführungsform
  • Als Nächstes wird die dritte Ausführungsform des Verfahrens zur Erfassung von Abnormitäten in einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.
  • Wie oben beschrieben worden ist, ist dann, wenn eine abnorme Brennstoffzelle in der Brennstoffzelle 1 vorhanden ist, wie in 4 gezeigt ist, die Verteilung der Zellenspannungen nach dem Vergehen eines vorbestimmten Zeitintervalls seit dem Anhalten der Brennstoffzelle 1 am niedrigsten für Zellenspannungen der n-ten Einheitszelle 55, welche die Abnormität aufweist, und um diese als Mittelpunkt herum tritt ein ungefähr V-förmiger Verteilungsabschnitt Y auf.
  • Hier sollen Vermutungen über die Gründe angestellt werden, dass ein ungefähr V-förmiger Verteilungsabschnitt Y auftritt. Wie oben beschrieben worden ist, wird die Brennstoffzelle 1 durch Stapeln einer Mehrzahl von Zellen 55 gebildet. Die Brennstoffzelle 1 sieht Wasserstoffzufuhrdurchgangslöcher, Wasserstoffausstoßdurchgangslöcher, Luftzufuhrdurchgangslöcher und Luftausstoßdurchgangslöcher vor, die durch Durchsetzen aller Zellen 55 gebildet sind. Das Wasserstoffgas wird parallel zu der Wasser stoffgasleitung 56 jeder der Zellen 55 von den Wasserstoffzufuhrdurchgangslöchern verteilt und zugeführt, der unreagierte Wasserstoff von der Wasserstoffgasleitung 56 jeder der Zellen 55 sammelt sich in den Wasserstoffausstoßdurchgangslöchern und wird ausgestoßen, die Luft wird parallel zu der Luftleitung 57 jeder der Zellen 55 von den Luftzufuhrdurchgangslöchern verteilt und zugeführt und die unreagierte Luft von den Luftleitungen 57 jeder der Zellen 55 sammelt sich in den Luftausstoßdurchgangslöchern und wird ausgestoßen. Das heißt, die Wasserstoffgasleitung 56 jeder der Zellen 55 wird durch die Wasserstoffzufuhrdurchgangslöcher und die Wasserstoffausstoßdurchgangslöcher verbunden und die Luftleitungen 57 jeder der Zellen 55 sind durch die Luftzufuhrdurchgangslöcher und die Luftausstoßdurchgangslöcher verbunden. Wenn die Brennstoffzelle 1 angehalten ist und der Strom der Reaktionsgase angehalten ist, tritt dadurch das Wasserstoffgas in die Luftleitung 57 von der Wasserstoffgasleitung 56 der n-ten Einheitszelle 55, welche eine Abnormität aufweist, aus. Wenn dies geschieht, strömt dieses Wasserstoffgas in die Luftleitung 57 der angrenzenden normalen Einheitszelle 55, indem sie durch die Luftausstoßdurchgangslöcher hindurchströmt und dadurch erhöht sich die Geschwindigkeit des Rückgangs des Zellendrucks der angrenzenden normalen Einheitszelle 55. Es wird ferner vermutet, dass je näher die Position der Einheitszelle 55 zu einer abnormen Zelle ist, desto größer der Einfluss ist, und daher tritt ein ungefähr V-förmiger Verteilungsabschnitt Y auf.
  • Für den Fall, dass die Abnormitäts-Erfassungsprozedur der oben beschriebenen ersten oder zweiten Ausführungsform ausgeführt wird, wird daher nicht nur bestimmt, dass die n-te Einheitszelle 55 abnorm ist, sondern es existiert eine Befürchtung, dass eine normale Einheitszelle 55, die beeinflusst worden ist, weil sie in der Nähe dieser abnormen Einheitszelle 55 angeordnet ist, ebenso fälschlicherweise als abnorm bestimmt wird.
  • Die Abnormitäts-Erfassungsprozedur bei der dritten Ausführungsform ist derart konstruiert, dass sie diese Art von fehlerhafter Bestimmung ver meidet. Wenn ein ungefähr V-förmiger Verteilungsabschnitt Y in der Verteilung der Zellenspannungen aller Zellen vorhanden ist, wird lediglich die Zelle, die den Gipfel in dem ungefähr Y-förmigen Verteilungsabschnitt Y bildet, das heißt, nur die Brennstoffzelle 55, die die niedrigste Zellenspannung aufweist, als abnorm bestimmt. Dadurch ist es möglich, eine fälschliche Bestimmung einer normalen Zelle, deren abnorme Zellenspannung ihren Ursprung in dem Einfluss einer abnormen Zelle hat, als eine abnorme Zelle zu verhindern.
  • Als Nächstes wird die Abnormitäts-Erfassungsprozedur für eine Brennstoffzelle bei der dritten Ausführungsform unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm in 9 erläutert.
  • Zunächst wird die Abnormitäts-Erfassungsprozedur unter Verwendung des AUS-Signals des Zündung(IG)-Schalters als ein Trigger gestartet (Schritt S301).
  • Zusätzlich wird in Schritt S302 bestimmt, ob über ein vorbestimmtes Zeitintervall hinweg oder länger, bevor der Zündungsschalter AUSgeschaltet wird, die Brennstoffzelle 1 stabil Strom erzeugt (d.h. ob die Reaktionsgase stabil zugeführt werden).
  • Für den Fall, dass das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S302 NEIN ist (die Stromerzeugung war nicht stabil, bevor der Zündungsschalter AUSgeschaltet wurde), endet die Ausführung der vorliegenden Routine zeitweilig. Das heißt, in diesem Fall wird die Abnormitäts-Erfassung nicht durchgeführt. Der Grund hierfür ist, dass zum Ausführen der Abnormitäts-Erfassung, wenn die Reaktionsgase vor dem Anhalten der Brennstoffzellen 1 nicht stabil zugeführt werden, das Verhalten der Zellenspannungen nach dem Anhalten unstabil ist und daher eine korrekte Abnormitäts-Erfassung nicht möglich ist.
  • Weiterhin ist bei dieser Ausführungsform die Startbedingung für die Abnormitäts-Erfassungsprozedur das AUSschalten des Zündungsschalters durch den Fahrer, aber wenn die Brennstoffzelle 1 stabil Strom erzeugt, kann der Leerlaufstopp oder der Zwangsstopp zur Abnormitäts-Bestimmung als Startbedingung für die Abnormitäts-Erfassungsprozedur dienen.
  • Für den Fall, dass das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S302 JA ist (Stromerzeugung war stabil vor dem AUSschalten des Zündungsschalters), schreitet die Prozedur zu Schritt S303 fort und es wird bestimmt, ob eine vorbestimmte Zeitdauer (zum Beispiel 10 Sekunden) vergangen ist, nachdem der Zündungsschalter AUSgeschaltet worden ist. Für den Fall, dass das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S303 NEIN ist (das vorbestimmte Zeitintervall ist nicht vergangen), kehrt die Prozedur wieder zu Schritt S303 zurück. Der Grund hierfür ist, dass dann, wenn ein vorbestimmtes Zeitintervall nicht vergangen ist, die Zellenspannungsdifferenz zwischen den abnormen Zellen 55 und den normalen Zellen 55 klein ist und dadurch die Genauigkeit der Bestimmung sich verschlechtert.
  • Für den Fall, dass das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S303 JA ist (nach dem Vergehen eines vorbestimmten Zeitintervalls), schreitet die Prozedur zu Schritt S304 fort, die Zellenspannung jeder der Zellen 55 wird gelesen, der Durchschnittswert der Zellenspannungen (unten als "Durchschnittszellenspannung" bezeichnet) wird berechnet und die Differenz (Spannungsdifferenz), welche die Spannung jeder der Zellen minus die Durchschnittszellenspannung für alle Zellen 55 ist, wird ermittelt.
  • Danach schreitet die Prozedur zu Schritt S305 fort, eine Spannungsdifferenzverteilung, welche die Spannungsdifferenzen zwischen jeder der Zellen 55 umfasst, wird in der Reihenfolge der Anordnung der Zellen 55 angeordnet und es wird bestimmt, ob ein ungefähr V-förmiger Verteilungsabschnitt Y in dieser Spannungsdifferenzverteilung vorhanden ist. Für den Fall, dass das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S305 JA ist (ein ungefähr V-förmiger Verteilungsabschnitt Y ist vorhanden), ist eine abnorme Zelle vorhanden und daher wir die Fehlerlampe eingeschaltet und die nachfolgende Stromerzeugung wird verhindert (Schritt S306).
  • Ferner wird bestimmt, dass eine Abnormität (Verschlechterung und Schaden) in der Einheitszelle 55 mit der Zellennummer auftritt, die als die niedrigste Zellenspannung in dem ungefähr V-förmigen Verteilungsabschnitt Y erfasst worden ist (Schritt S307), nachfolgend wird die Zellennummer in den Backup-Speicher der ECU 20 zur Berücksichtigung beim Reparieren (Zellenaustausch) der Brennstoffzelle 1 geschrieben (Schritt S308) und die Abnormitäts-Bestimmungsprozedur endet.
  • Im Gegensatz hierzu wird in dem Fall, dass das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S305 NEIN ist (ein ungefähr V-förmiger Verteilungsabschnitt Y ist nicht vorhanden), bestimmt, dass alle Zellen 55 normal sind, die nachfolgende Stromerzeugung wird auf den Normalbetriebsmodus eingestellt (Schritt S309) und die Abnormitäts-Erfassungsprozedur wird beendet.
  • In dieser Art und Weise wird bei der dritten Ausführungsform die Abnormität aufgrund der Verteilung der Zellenspannung jeder der Zellen erfasst, während die Zufuhr der Reaktionsgase gestoppt ist und daher kann eine Abnormität der Brennstoffzelle 1 schnell und korrekt erfasst werden. Ferner wird bestimmt, dass eine Abnormität in der Zelle auftritt, welche die niedrigste Zellenspannung in dem ungefähr V-förmigen Verteilungsabschnitt Y aufweist, und daher kann nicht nur die Zelle, welche die Abnormität aufweist, angezeigt werden, sondern es kann auch verhindert werden, dass eine normale Zelle fälschlicherweise bestimmt wird.
  • Weiterhin kann die Abnormitäts-Erfassungsprozedur der dritten Ausführungsform parallel zu der Abnormitäts-Erfassungsprozedur der zweiten Ausführungsform ausgeführt werden. Dadurch wird die Genauigkeit der Bestimmung verbessert.
  • Andere Ausführungsformen
  • Weiterhin ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt. Zum Beispiel ist die Brennstoffzelle, die Gegenstand der Anmeldung des Abnormitäts-Erfassungsverfahrens der vorliegenden Erfindung ist, nicht auf eine Festpolymer-Elektrolytmembran-artige Brennstoffzelle beschränkt und die Erfindung kann auf Brennstoffzellen mit anderen Formen ebenso angewendet werden.
  • Wie oben beschrieben worden ist, wird gemäß einem Aspekt der Erfindung eine Abnormität in einer Brennstoffzelle aufgrund der Zellenspannungen nach einem vorbestimmten Zeitintervall nach dem Anhalten der Brennstoffzelle erfasst und daher wird die Genauigkeit der Bestimmung höher und das Bestimmungszeitintervall wird kürzer. Daher gibt es die überlegene Wirkung, dass die Abnormität in der Brennstoffzelle schnell erfasst werden kann. Zusätzlich gibt es gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung den Effekt, dass die Zelle, welche die Abnormität aufweist, angezeigt werden kann.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Abnormität in der Brennstoffzelle aufgrund der Geschwindigkeit des Rückgangs jeder der Zellenspannungen nach dem Anhalten der Brennstoffzelle erfasst und daher wird die Genauigkeit der Bestimmung höher und das Bestimmungszeitintervall wird kürzer. Daher gibt es den überlegenen Effekt, dass die Abnormität in der Brennstoffzelle schnell erfasst werden kann. Zusätzlich gibt es gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung den Effekt, dass die Zelle, welche die Abnormität aufweist, angezeigt werden kann.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird der Bestimmungsschwellenwert, der anzeigt, ob eine Abnormität vorliegt, in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Brennstoffzelle eingestellt und daher wird die Genauigkeit der Bestimmung höher.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Abnormität der Brennstoffzelle aufgrund der Verteilung jeder der Zellenspannungen nach dem Anhalten der Brennstoffzelle bestimmt. Daher gibt es den überlegenen Effekt, dass die Abnormität der Brennstoffzelle schnell erfasst werden kann. Zusätzlich gibt es gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung den Effekt, dass die Zelle, welche die Abnormität aufweist, angezeigt werden kann.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Abnormitäts-Erfassung in dem Fall durchgeführt, dass die Brennstoffzelle vor dem Anhalten der Brennstoffzelle stabil funktioniert und daher gibt es den Effekt, dass fälschliche Bestimmungen verhindert werden können.
  • Gemäß dem weiteren Aspekt der Erfindung gibt es den Effekt, dass die Menge von austretenden Reaktionsgasen während nachfolgender Stromerzeugung verringert werden kann.
  • Die Erfindung erfasst schnell und mit hoher Genauigkeit Abnormitäten in Brennstoffzellen. Bei einem Verfahren der Erfassung von Abnormitäten in einer Brennstoffzelle 1, die eine Mehrzahl von Einheitszellen umfasst, welche durch Zuführen von Wasserstoffgas zu einer Anode und Zuführen von Luft zu einer Kathode jeder Einheitszelle Strom erzeugen, wird die Abnormität in der Brennstoffzelle 1 aufgrund der Geschwindigkeit des Rückgangs der Zellenspannungen nach einem Anhalten der Brennstoffzelle erfasst, d.h. nach dem Anhalten der Zufuhr der Reaktionsgase zu der Brennstoffzelle.

Claims (9)

  1. Abnormitäts-Erfassungsverfahren für eine Brennstoffzelle (1) mit einer Mehrzahl von Einheitszellen (55), die durch Zuführen von Reaktionsgasen zu einer Anode (52) und einer Kathode (53) jeder Einheitszelle (55) Strom erzeugen, bei dem eine Abnormität der Brennstoffzelle (1) aufgrund einer Spannung der Einheitszellen (55) erfasst wird, gekennzeichnet durch die Schritte: – Stoppen der Zufuhr von Reaktionsgasen zu der Brennstoffzelle (1), – Abwarten eines vorbestimmten Zeitintervalls seit dem Stoppen der Zufuhr von Reaktionsgasen, – Erfassen der Spannung jeder der Einheitszellen (55) nach Ablauf des vorbestimmten Zeitintervalls, und – Bestimmen, ob eine Abnormität vorliegt, aufgrund eines Vergleichs der erfassten Spannungen mit einem vorbestimmten Bestimmungsschwellenwert.
  2. Abnormitäts-Erfassungsverfahren für eine Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den nach Ablauf des vorbestimmten Zeitintervalls erfassten Spannungen der Einheitszellen eine Durchschnittszellenspannung aller Einheitszellen berechnet wird und die Differenz zwischen einer niedrigsten Zellenspannung unter den Einheitszellen (55) und der Durchschnittszellenspannung aller Einheitszellen (55) mit dem vorbestimmten Bestimmungsschwellenwert verglichen wird.
  3. Abnormitäts-Erfassungsverfahren für eine Brennstoffzelle (1) umfassend eine Mehrzahl von Einheitszellen (55), die durch Zuführen von Reaktionsgasen zu einer Anode (52) und einer Kathode (53) jeder Einheitszelle (55) Strom erzeugen, bei dem eine Abnormität der Brennstoffzelle (1) aufgrund einer Rückgangsgeschwindigkeit der Spannung der Einheitszellen (55) erfasst wird, gekennzeichnet durch die Schritte: – Stoppen der Zufuhr von Reaktionsgasen zu der Brennstoffzelle (1), – Erfassen des Spannungsrückgangs über eine Vorbestimmte Zeit jeder einzelnen der Einheitszellen (55), – Bestimmen einer Rückgangsgeschwindigkeit der Spannung für jede der Einheitszellen (55), und – Vergleichen der jeweils bestimmten Rückgangsgeschwindigkeit mit einem vorbestimmten Bestimmungsschwellenwert.
  4. Abnormitäts-Erfassungsverfahren für eine Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bestimmungsschwellenwert für das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Abnormität in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Brennstoffzelle (1) eingestellt wird.
  5. Abnormitäts-Erfassungsverfahren für eine Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch den Schritt des Erfassens einer Druckdifferenz zwischen der Anode (52) und der Kathode (53) vor dem Stoppen der Zufuhr der Reaktionsgase, wobei der vorbestimmte Bestimmungsschwellenwert sich mit einer Erhöhung der Druckdifferenz erhöht.
  6. Abnormitäts-Erfassungsverfahren für eine Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch den Schritt des Erfassens eines Feuchtigkeitsgrads der Reaktionsgase vor dem Stoppen der Zufuhr der Reaktionsgase, wobei der vorbestimmte Bestimmungsschwellenwert sich mit einer Erhöhung des Feuchtigkeitsgrads der Reaktionsgase erhöht.
  7. Abnormitäts-Erfassungsverfahren für eine Brennstoffzelle (1) mit einer Mehrzahl von Einheitszellen (55), die durch Zuführen von Reaktionsgasen zu einer Anode (52) und einer Kathode (53) jeder Einheitszelle (55) Strom erzeugen, bei dem eine Abnormität einer Brennstoffzelle (1) aufgrund der Verteilung der Spannungen der Einheitszellen (55) erfasst wird, gekennzeichnet durch die Schritte: – Stoppen der Zufuhr von Reaktionsgasen zu der Brennstoffzelle (1), – nachfolgend gleichzeitiges Erfassen der Spannung jeder Einheitszelle (55), und – Vergleichen der zum selben Zeitpunkt erfassten Spannungen der Einheitszellen miteinander.
  8. Abnormitäts-Erfassungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in dem Fall, dass die Brennstoffzelle (1) stabil funktioniert, auch nach Eintreten eines Leerlaufstoppzustands oder Zwangsstoppzustands durchgeführt wird.
  9. Abnormitäts-Erfassungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend für den Fall, dass eine Abnormität in der Brennstoffzelle erfasst worden ist, den Schritt des Begrenzens des Betriebsdrucks der Reaktionsgase während nachfolgender Stromerzeugung auf ein Niveau, das niedriger ist als vor Erfassung der Abnormität.
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