DE10353848B4

DE10353848B4 - Diagnosevorrichtung und Diagnoseverfahren für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10353848B4
Application number: DE10353848A
Authority: DE
Inventors: Norihiko Toyota-shi Saito; Masaaki Toyota-shi Kondo
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2023-11-19
Also published as: US7166929B2; JP4506075B2; CN1503391A; JP2004179002A; CA2450849C; US20040106025A1; CN1297029C; CA2450849A1; DE10353848A1

Abstract

Diagnosevorrichtung (20) für eine in einem beweglichen Objekt (110) als Energiequelle installierte Brennstoffzelle (122), dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:
eine Betriebssteuereinrichtung (61), zur Steuerung des Betriebes der Brennstoffzelle (122), wobei die Betriebssteuereinrichtung (61) mit einem in dem beweglichen Objekt (110) installierten Steuersystem (160) verbunden ist, wobei die Betriebssteuereinrichtung (61) die Betriebssteuerung der Brennstoffzelle (122) durch Ausgabe eines Arbeitsbefehls an das Steuersystem (160) durchführt;
eine erste Energieregulierungseinrichtung (40), zur Regulierung der von der durch die Betriebssteuereinrichtung (61) gesteuerten Brennstoffzelle (122) erhaltenen Energie; und
eine Diagnoseeinrichtung (62), zur Bestimmung des Zustandes der Brennstoffzelle (122) aufgrund des Betriebs der von der Betriebssteuereinrichtung (61) gesteuerten Brennstoffzelle (122) während der Regulierung der Energie durch die erste Energieregulierungseinrichtung (40).

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Diagnosevorrichtung und ein Diagnoseverfahren für eine Brennstoffzelle und genauer eine Diagnosevorrichtung und ein Diagnoseverfahren für die Bestimmung des Zustands einer Brennstoffzelle, die in einem beweglichen Objekt als Energiequelle installiert ist.
2. Beschreibung des einschlägigen Standes der Technik
Bisher wurde ein Brennstoffzellen-System des Typs vorgeschlagen, der bestimmt, ob ein von der Regel abweichender Betriebszustand vorliegt, beispielsweise ob zu viel oder zu wenig Wasser in einem Brennstoffzellen-Stapel vorhanden ist, und der eine Steuerung durchführt, um den von der Regel abweichenden Betriebszustand zu normalisieren (z. B. die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. JP 09-245826 A . In diesem System werden für verschiedene Betriebsbedingungen zeitabhängige Änderungsmuster der Spannung in der Zelle oder dem Zellenblock, aus dem der Brennstoffzellen-Stapel besteht, gemessen und hinterlegt, und die Bestimmung des Betriebszustands des Brennstoffzellen-Stapels wird durch Vergleichen des aktuellen zeitabhängigen Musters mit den gespeicherten Muster durchgeführt.
Wenn das so aufgebaute Brennstoffzellen-System jedoch in einem Fahrzeug installiert ist, kann ein regelwidriger Betrieb des Brennstoffzellen-Stapels bei laufendem Fahrzeug nicht ohne weiteres nachvollzogen werden, nachdem das Fahrzeug angehalten wurde. Falls es bei laufendem Fahrzeug im Brennstoffzellen-Stapel zu einem regelwidrigen Betrieb kommt, muß der regelwidrige Betriebszustand nachvollzogen werden können, damit dessen Ursache in einer Reparaturwerkstatt oder dergleichen ermittelt werden kann. Da bei einem Betrieb des Brennstoffzellen-Stapels bei angehaltenem Fahrzeug die vom Brennstoffzellen-Stapel gelieferte Energie jedoch nicht verbraucht werden kann, kann der regelwidrige Betriebszustand nicht nachvollzogen werden. Ein ähnliches Problem ergibt sich während einer Inspektion oder Wartung, bei der Regelabweichungen oder Funktionsstörungen ausgeschlossen werden sollen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Diagnosevorrichtung und das Diagnoseverfahren gemäß der Erfindung sind darauf gerichtet, den Zustand einer Brennstoffzelle, die in einem beweglichen Objekt installiert ist, zu untersuchen, während das bewegliche Objekt angehalten ist und die Brennstoffzelle läuft. Die Diagnosevorrichtung und das Diagnoseverfahren gemäß der Erfindung sind außerdem darauf gerichtet, den Zustand der Brennstoffzelle zu bestimmen, während die Brennstoffzelle läuft, aber das in dem beweglichen Objekt installierte Brenngas-Zufuhrsystem nicht in Betrieb ist. Darüber hinaus sind die Diagnosevorrichtung und das Diagnoseverfahren gemäß der Erfindung darauf gerichtet, den Zustand der Brennstoffzelle zu bestimmen, während die Brennstoffzelle läuft, aber ein in dem beweglichen Objekt installiertes Kühlsystem nicht in Betrieb ist.
In der Diagnosevorrichtung und dem Diagnoseverfahren gemäß der Erfindung werden die folgenden Maßnahmen ergriffen, um mindestens eines der oben genannten Ziele zu erreichen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Diagnosevorrichtung für eine in einem beweglichen Objekt als Energiequelle installierte Brennstoffzelle bereitgestellt. Das Wesen dieses Aspekts der Erfindung besteht darin, daß die Diagnosevorrichtung eine Betriebssteuereinrichtung umfaßt, die mit einem in dem Fahrzeug installierten Steuersystem verbunden wird, um den Betrieb der Brennstoffzelle zu steuern, und zwar durch Ausgabe eines Arbeitsbefehls an das Steuersystem, sowie eine Diagnoseeinrich tung, die den Zustand der Brennstoffzelle auf der Grundlage des von der Betriebssteuereinrichtung gesteuerten Betriebs der Brennstoffzelle bestimmt, und eine Einrichtung zur Energieregulierung, welche die Energie, die von der von der Betriebssteuereinrichtung gesteuerten Brennstoffzelle erhalten wird, reguliert, während die Diagnoseeinrichtung eine Diagnose durchführt.
In der Diagnosevorrichtung des oben genannten Aspekts wird die Betriebssteuereinrichtung mit dem in dem beweglichen Objekt installierten Steuersystem verbunden, um den Betrieb der Brennstoffzelle zu steuern. Die Betriebssteuereinrichtung gibt einen Arbeitsbefehl an das Steuersystem aus, wodurch der Betrieb der Brennstoffzelle gesteuert wird. Die Energieregulierungseinrichtung reguliert die Energie, die von der so betriebenen Brennstoffzelle erhalten wird, und der Zustand der Brennstoffzelle wird auf der Grundlage des Betriebs der Brennstoffzelle bestimmt. Somit kann der Zustand der Brennstoffzelle bestimmt werden, während die Brennstoffzelle in Betrieb ist, obwohl das bewegliche Objekt angehalten wurde.
In der Diagnosevorrichtung des oben genannten Aspekts können Informationen über den Betriebszustand der Brennstoffzelle über das Steuersystem in die Betriebssteuereinrichtung eingegeben werden. Mit dieser Konstruktion läßt man die Brennstoffzelle einen gewünschten Betriebszustand erreichen. In der Diagnosevorrichtung dieses Aspekts kann die Diagnoseeinrichtung den Zustand der Brennstoffzelle aufgrund der Informationen über den Betriebszustand der Brennstoffzelle, die der Betriebssteuereinrichtung über das Steuersystem mitgeteilt worden sind, bestimmen. Mit dieser Konstruktion kann die Diagnose der Brennstoffzelle mittels der Informationen durchgeführt werden, die dem Steuersystem des beweglichen Objekt mitgeteilt worden sind. Daher kann die Brennstoffzelle genauer untersucht werden.
In der Diagnosevorrichtung des oben genannten Aspekts kann die Betriebssteuereinrichtung außerdem die Regulierung der Energie durch die Energieregulierungseinrichtung steuern. Mit dieser Konstruktion kann die Energie, die von der Brennstoffzelle erhalten wird, ebenfalls vom Betriebssteuermittel gesteuert werden.
Darüber hinaus kann in der Diagnosevorrichtung des oben genannten Aspekts die Energieregulierungseinrichtung mit dem Ausgangspol der Brennstoffzelle verbunden werden und die Energie durch Absorption oder Verbrauch der von der Brennstoffzelle erhaltenen Energie regulieren.
In der Diagnosevorrichtung des oben genannten Aspekts kann die Energieregulierungseinrichtung außerdem mit einem Akkumulator ausgestattet sein, der mit Elektrizität aufgeladen werden kann oder aus dem Elektrizität abgezogen werden kann, und kann die Energie durch Aufladen des Akkumulators mit der Energie, die von der Brennstoffzelle erhalten wird, regulieren.
In der Diagnosevorrichtung des oben genannten Aspekts kann die Betriebssteuereinrichtung die Energie dadurch regulieren, daß sie einen in dem beweglichen Objekt installierten Akkumulator mit Energie auflädt, die von der Brennstoffzelle erhalten wird. Mit dieser Konstruktion kann die Energie, die von der Brennstoffzelle erhalten wird, genutzt werden, nachdem die Diagnose durchgeführt wurde. In der Diagnosevorrichtung des genannten Aspekts kann der Akkumulator in einem Ladesystem vorgesehen sein, das in dem beweglichen Objekt installiert ist. Mit dieser Konstruktion besteht keine Notwendigkeit, die Energieregulierungseinrichtung als separates Bauteil vorzusehen.
In der Diagnosevorrichtung des oben genannten Aspekts kann die Energieregulierungseinrichtung die Energie dadurch regulieren, daß sie die Energie, die von der Brennstoffzelle erhalten wird, durch eine in dem beweglichen Objekt installierten Verbrauchereinheit verbrauchen läßt. Mit dieser Konstruktion kann die Energie, die von der Brennstoffzelle erhalten wird, von dem in dem beweglichen Objekt installierten Verbraucher verbraucht werden. Insbesondere dann, wenn eine Einheit für mobile Zwecke als Verbrauchereinheit verwendet wird, um Energie zu verbrauchen, kann der Zustand der Brennstoffzelle bei laufendem Objekt mit hoher Genauigkeit nachvollzogen werden. In der Diagnosevorrichtung dieses Aspekts kann die Verbrauchereinheit ein Steuer system für die Einheit enthalten, das in dem beweglichen Objekt installiert ist, um das Antreiben der Verbrauchereinheit, welche die von der Brennstoffzelle gelieferte Energie verbraucht, zu steuern. Mit dieser Konstruktion besteht keine Notwendigkeit, die Energieregulierungseinrichtung als separates Bauteil vorzusehen.
Weiter kann die Diagnosevorrichtung des oben genannten Aspekts eine Brenngas-Zufuhreinrichtung umfassen, welche die Brennstoffzelle anstelle des im Fahrzeug installierten Brenngas-Zufuhrsystems mit dem Brenngas versorgt, das der Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle dient. Mit dieser Konstruktion kann der Zustand der Brennstoffzelle bestimmt werden, während die Brennstoffzelle läuft, obwohl das in dem beweglichen Objekt installierte Brenngas-Zufuhrsystem nicht in Betrieb ist.
Die Diagnosevorrichtung des genannten Aspekts kann außerdem eine Kühleinrichtung umfassen, welche die Brennstoffzelle anstelle des im Fahrzeug installierten Kühlsystems kühlt. Mit dieser Konstruktion kann der Zustand der Brennstoffzelle bestimmt werden, während die Brennstoffzelle in Betrieb ist, obwohl das im Fahrzeug installierte Kühlsystem nicht in Betrieb ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Diagnoseverfahren für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, die in einem beweglichen Objekt als Energiequelle installiert ist. Dieses Diagnoseverfahren umfaßt folgende Schritte: Steuern des Betriebs der Brennstoffzelle durch Ausgeben eines vorgegebenen Arbeitsbefehls an ein Steuersystem, das in dem beweglichen Objekt installiert ist, um den Betrieb der Brennstoffzelle zu steuern, Regulieren der Energie, die von der durch den vorgegebenen Arbeitsbefehl gesteuerten Brennstoffzelle erhalten wird, und Bestimmen des Zustands der Brennstoffzelle auf der Grundlage des Betriebs der Brennstoffzelle, der ein Ergebnis des Arbeitsbefehls ist.
Im Diagnoseverfahren des oben genannten Aspekts wird die Brennstoffzelle durch Ausgabe des vorgegebenen Arbeitsbefehls an das Steuersystem betrieben, welches in dem beweglichen Objekt installiert ist, um den Betrieb der Brennstoffzelle zu steuern.
Die Energie, die von der so betriebenen Brennstoffzelle erhalten wird, wird reguliert, und der Zustand der Brennstoffzelle wird auf der Grundlage des Betriebs der Brennstoffzelle bestimmt. Daher kann der Zustand der Brennstoffzelle bestimmt werden, wenn die Brennstoffzelle in Betrieb ist, während das bewegliche Objekt angehalten ist.
Im Diagnoseverfahren des obigen Aspekts wird Brenngas, das der Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle dient, für die Diagnose von außerhalb des beweglichen Objekts zur Brennstoffzelle geliefert. Mit dieser Konstruktion kann der Zustand der Brennstoffzelle bestimmt werden, während die Brennstoffzelle läuft, obwohl das im beweglichen Objekt installierte Brenngas-Zufuhrsystem nicht in Betrieb ist.
Im Diagnoseverfahren des oben genannten Aspekts wird ein Kühlmittel von außerhalb des beweglichen Objekts zur Brennstoffzelle geliefert, um die Brennstoffzelle für die Diagnose abzukühlen. Mit dieser Konstruktion kann der Zustand der Brennstoffzelle bestimmt werden, während die Brennstoffzelle in Betrieb ist, obwohl das im beweglichen Objekt installierte Kühlsystem nicht in Betrieb ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine Darstellung, welche den Konstruktionsgedanken für die Diagnose des Zustands einer in einem Fahrzeug 110 installierten Brennstoffzelle 122 mittels einer Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 20 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
2 ist ein Blockdiagramm, das einen Überblick über die Funktion eines in dem Fahrzeug installierten Brennstoffzellen-Systems 120 zeigt.
3 ist ein Blockdiagramm, das einen Überblick über die Funktion der Diagnosevorrichtung 20 der Ausführungsform zeigt.
4 ist die erläuternde Darstellung eines Beispiels für die Antriebseinheit 45.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Nun wird eine Methode der Umsetzung der Erfindung anhand einer ihrer Ausführungsformen beschrieben. 1 ist eine Darstellung, die den Konstruktionsgedanken bei der Diagnose des Zustands einer in einem Fahrzeug 110 installierten Brennstoffzelle 122 mittels einer Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 20 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erläutert. 2 ist ein Blockdiagramm, das einen Überblick über die Konstruktion des in dem Fahrzeug installierten Brennstoffzellen-Systems 120 zeigt. Um die Erklärung zu vereinfachen, wird zuerst das in dem Fahrzeug 110 installierte Brennstoffzellen-System erklärt, und dann wird die Konstruktion der Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 20 der Ausführungsform detailliert erklärt.
Wie in 2 dargestellt, umfaßt das Brennstoffzellen-System 120 ein Brenngas-Zufuhrsystem 130, das eine Brennstoffzelle 122 mit Wasserstoff und Luft als Brennstoff versorgt, ein Energieregulierungssystem 140, das die von der Brennstoffzelle 122 erzeugte Energie mit Rücksicht auf die Verwendung der Energie zum Antreiben des Fahrzeugs oder die Speicherung der Energie reguliert, ein Kühlsystem 150, das die Brennstoffzelle 122 kühlt, und eine Fahrzeugbetriebs-Steuereinheit 160, die den Betrieb der Brennstoffzelle 122 steuert, während sie den Fahrzustand des Fahrzeugs steuert.
Die Brennstoffzelle 122 ist beispielsweise als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle konstruiert, die aus einer Vielzahl von übereinandergeschichteten Zellen besteht, von denen jede eine Polymermembran als Elektrolytmembran umfaßt, die eine gute Protonenleitfähigkeit im nassen Zustand aufweist. Die Energie wird durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt, die durch die Zufuhr von Wasserstoff bzw. Sauerstoff zum Brennstoffelektroden-seitigen Strömungskanal und zum Luftelektroden-seitigen Brennstoffkanal, die an gegenüberliegenden Seiten der Elektrolytmembran ausgebildet sind, bewirkt wird.
Das Brennstoff-Zufuhrsystem 130 umfaßt einen Wasserstofftank 131, der hoch verdichteten Wasserstoff enthält und über ein Regelventil 132 mit dem Brennstoffelektroden-seitigen Strömungskanal der Brennstoffzelle verbunden ist, eine Wasserstoffpumpe 133, die bewirkt, daß der vom Wasserstofftank 131 gelieferte Wasserstoff durch einen Umlaufkanal zirkuliert, der den Brennstoffelektroden-seitigen Strömungskanal der Brennstoffzelle 122 umfaßt, und eine Luft-Zufuhrpumpe 134, welche den Luftelektroden-seitigen Strömungskanal der Brennstoffzelle 122 mit Luft als sauerstoffhaltigem Oxidationsgas versorgt. Ein Anschlußabschnitt 139 für die Brenngas-Zufuhreinheit, mit dem die Brenngas-Zufuhreinheit 30 der Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 20 dieser Ausführungsform angeschlossen wird, ist im Brenngas-Zufuhrsystem 130 an der Stelle vorgesehen, an der es mit der Brennstoffzelle 122 verbunden werden soll.
Das Energieregulierungssystem 140 umfaßt eine Batterie 142, die über einen DC/DC-Wandler 141 mit dem Ausgangspol der Brennstoffzelle 122 verbunden ist, und einen Triebmotor 144, der über einen Wechselrichter 143 mit dem Ausgangspol der Brennstoffzelle 122 verbunden ist. Das Energieregulierungssystem 140 ist so ausgelegt, daß der Triebmotor 144 Energie verbrauchen kann und die Batterie 142 elektrisch aufgeladen werden kann, und daß elektrische Energie von der Batterie 142 abgezogen werden kann. Ein Anschlußabschnitt 149 für die Energieregulierungseinheit, mit dem die Energieregulierungseinheit 40 der Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 20 dieser Ausführungsform angeschlossen wird, ist in dem Energieregulierungssystem 140 an einer Stelle vorgesehen, an der es mit der Brennstoffzelle 122 verbunden werden soll.
Das Kühlsystem 150 ist als Umlaufkanal konstruiert, der einen Kühlmittel-Strömungskanal für die Brennstoffzelle 122 umfaßt. Das Kühlsystem 150 umfaßt einen Kühler 151, der das Kühlmittel luftkühlt, und eine Kühlmittelpumpe 152, die bewirkt, daß das Kühlmittel zirkuliert. Dadurch, daß vom Kühler 151 abgekühltes Kühlmittel dazu gebracht wird, durch den Umlaufkanal zu zirkulieren, kühlt das Kühlsystem 150 die Brennstoffzelle 122 ab. Ein Anschlußabschnitt 159 für die Kühleinheit, mit dem die Kühleinheit 50 der Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 20 dieser Ausführungsform angeschlossen werden soll, ist in dem Kühlsystem 150 an einer Stelle vorgesehen, an der es mit der Brennstoffzelle 122 verbunden werden soll.
Die Fahrzeugbetriebs-Steuereinheit 160 ist als Mikrocomputer konstruiert, der hauptsächlich aus einer (nicht gezeigten) CPU besteht, und der einen Eingangsport, einen Ausgangsport und einen Kommunikationsport umfaßt. Über den Eingangsport werden in die Fahrzeugbetriebs-Steuereinheit 160 Signale eingegeben, die Folgendes anzeigen: die Zellspannung, die von einem Spannungssensor 123 erfaßt wird, der die Spannung zwischen den Zellen, aus denen die Brennstoffzelle 122 besteht, erfaßt, die Zelltemperatur, die von einem (nicht gezeigten) Temperatursensor, der an der Brennstoffzelle 122 angebracht ist, erfaßt wird, die interterminale Spannung, die von einem Spannungssensor 123 erfaßt wird, der an der Energieleitung in der Nähe des Ausgangspols der Brennstoffzelle 122 angebracht ist, den Ausgangsstrom, der von einem Stromsensor 124 erfaßt wird, der an der Energieleitung in der Nähe des Ausgangspols der Brennstoffzelle 122 angebracht ist, die Spannung, die von einem (nicht gezeigten) Spannungssensor erfaßt wird, der am DC/DC-Wandler 141 angebracht ist, den Strom, der von einem (nicht gezeigten) Stromsensor erfaßt wird, der am DC/DC-Wandler 141 angebracht ist, die Lade/Entlade-Spannung, die von einem (nicht gezeigten) Spannungssensor erfaßt wird, der an der Energieleitung in der Nähe des Ausgangspols der Batterie 142 angebracht ist, den Lade/Entladestrom, der von einem (nicht gezeigten) Stromsensor erfaßt wird, der an der Energieleitung in der Nähe des Ausgangspols der Batterie 142 angebracht ist, den Phasenstrom des Triebmotors 144, der von einem (nicht gezeigten) Stromsensor erfaßt wird, der an der Energieleitung angebracht ist, die von einem Wechselrichter 143 zum Triebmotor 144 verläuft, die Position eines Rotors, der von einem (nicht gezeigten) Drehpositionssensor erfaßt wird, der am Triebmotor 144 angebracht ist, usw. Ein Ansteuerungssignal für das Regelventil 132, ein Ansteuerungssignal für die Wasserstoffpumpe 133, ein Ansteuerungssignal für die Luft-Zufuhrpumpe 134, ein Schaltsteuersignal für den DC/DC-Wandler 141, ein Schaltsteuersignal für den Wechselrichter 143, ein Ansteuerungssignal für die Kühlmittelpumpe 152 usw. werden von der Fahrzeugbetriebs-Steuereinheit 160 über den Ausgangsport ausgegeben. Ein Verbinder 169, der die Steuereinheit 60 der Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 20 der Erfindung verbindet, wird mit dem Kommunikationsport der Fahrzeugbetriebs-Steuereinheit 160 verbunden.
Nun wird die Konstruktion der Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 20 dieser Ausführungsform beschrieben. Wie in 1 und 3 dargestellt, umfaßt die Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 20 dieser Ausführungsform die Brenngas-Zufuhreinheit 30, welche die Brennstoffzelle 122 mit Wasserstoff und Luft als Brennstoff versorgt, die Energieregulierungseinheit 40, welche die Energie, die von der Brennstoffzelle 122 erzeugt wird, reguliert, und die Kühleinheit 50, welche die Brennstoffzelle 122 abkühlt, anstelle des Brenngas-Zufuhrsystems 130 des Brennstoffzellen-Systems 120, des Energieregulierungssystems 140 des Brennstoffzellen-Systems 120 bzw. des Kühlsystems 150 des Brennstoffzellen-Systems 120. Die Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 20 umfaßt auch die Steuereinheit 60, die mit der Fahrzeugbetriebs-Steuereinheit 160 des Brennstoffzellen-Systems 120 verbunden wird, um mit dieser Daten auszutauschen, und welche die gesamte Vorrichtung steuert.
Wie in 3 dargestellt, umfaßt die Brenngas-Zufuhreinheit 30 einen Wasserstofftank 31, dessen Aus- und Einlaß mit Regelventilen 32 versehen sind, eine Wasserstoffpumpe 33, die das Zirkulieren des Wasserstoffs bewirkt, und eine Luft-Zufuhrpumpe 34 für die Zufuhr von Luft. Wenn sie mittels eines Anschlußabschnitts 39 für das Brenngas-Zufuhrsystem mit dem Anschlußabschnitt 139 der Brenngas-Zufuhreinheit des Brennstoffzellen-Systems 120 verbunden wird, funktioniert die Brenngas-Zufuhreinheit 30 im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie das Brenngas-Zufuhrsystem 130 des Brennstoffzellen-Systems 120.
Die Energieregulierungseinheit 40 umfaßt einen DC/DC-Wandler 41, der die Gleichstromspannung erhöhen und senken kann, und eine aufladbare/entladbare Batterie 42, die mit dem DC/DC-Wandler 41 verbunden ist. Wenn sie mittels eines Anschlußabschnitts 49 für das Energieregulierungssystem mit dem Anschlußabschnitt 149 der Energieregulierungseinheit des Brennstoffzellen-Systems 120 verbunden wird, kann die Energieregulierungseinheit 40 die Batterie 42 ungehindert mit Energie laden, die von der Brennstoffzelle 122 erzeugt wird. Ein Spannungssensor 43 zum Erfassen der Spannung, die an die Brennstoffzelle 122 angelegt wird, und ein Stromsensor 44, der den Strom erfaßt, der durch die Brennstoffzelle 122 strömt, sind an dem DC/DC-Wechsler 41 auf der Seite des Anschlußabschnitts 49 für das Energieregulierungssystem angebracht.
Die Kühleinheit 50 umfaßt einen Kühler 51, der das Kühlmittel mit Außenluft kühlt, und eine Kühlmittelpumpe 52, die das Kühlmittel zum Zirkulieren bringt. Dadurch, daß sie mittels eines Anschlußabschnitts 59 für das Kühlsystem mit dem Anschlußabschnitt 159 für die Kühleinheit verbunden wird, funktioniert die Kühleinheit 50 im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie das Kühlsystem 150 des Brennstoffzellen-Systems 120.
Wie in 1 dargestellt, bestehen die Funktionskomponenten der Steuereinheit 60 aus einem Betriebssteuerabschnitt 61, der den Betrieb der Brennstoffzelle 122 mittels der Fahrzeugbetriebs-Steuereinheit 160 steuert, einem Diagnoseabschnitt, der den Zustand der Brennstoffzelle 122 auf der Grundlage des Zustands der laufenden Brennstoffzelle 122 bestimmt, und einem Einheits-Steuerabschnitt 63, der die Brenngas-Zufuhreinheit 30, die Energieregulierungseinheit 40 und die Kühleinheit 50 steuert. Wie in 3 dargestellt, ist die Steuereinheit 60, was ihre Hardware betrifft, als Mikrocomputer konstruiert, der hauptsächlich aus einer CPU 65, einem ROM 66 und einem RAM 67 besteht. Die Steuereinheit 60 empfängt über einen (nicht gezeigten) Eingangsport Signale, welche die Spannung, die vom Spannungssensor 43 erfaßt wurde, den Strom, der vom Stromsensor 44 erfaßt wurde, usw. anzeigen. Die Steuereinheit 60 gibt über einen (nicht gezeigten) Ausgangsport ein Treibersignal aus, um das Regelventil 32 einzustellen, ein Treibersignal für die Wasserstoffpumpe 33, ein Treibersignal für die Luft-Zufuhrpumpe 34, ein Schaltsteuersignal für den DC/DC-Wandler 41, ein Treibersignal für die Kühlmittelpumpe 52, usw. Ein Verbinder 69, der an den Verbinder 169 angeschlossen werden kann, der mit dem Kommunikationsport der Fahrzeugbetriebs-Steuereinheit 160 des Brennstoffzellen-Systems 120 verbunden ist, wird am (nicht gezeigten) Kommunikationsport der Steuereinheit 60 befestigt.
Nun wird beschrieben, wie die Diagnose des Zustands der Brennstoffzelle 122, die im Fahrzeug 110 installiert ist, unter Verwendung der Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 20 der wie oben beschrieben konstruierten Ausführungsform durchgeführt wird. Erste bis vierte Diagnosemuster werden für die Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 20 dieser Ausführungsform aufgestellt. Gemäß dem ersten Diagnosemuster wird eine Diagnose durchgeführt, während die Steuereinheit 60 und die Fahrzeugbetriebs-Steuereinheit 160 über den Verbinder 69 und den Verbinder 169 verbunden sind, und während der Anschlußabschnitt 49 für das Energieregulierungssystem mit dem Anschlußabschnitt der Energieregulierungseinheit verbunden ist, so daß die Energieregulierungseinheit 40 mit dem Brennstoffzellen-System 120 verbunden ist. Gemäß dem zweiten Diagnosemuster wird die Diagnose durchgeführt, während der Anschlußabschnitt 39 für das Brenngas-Zufuhrsystem am Anschlußabschnitt 139 für die Brenngas-Zufuhreinheit befestigt ist, so daß die Brenngas-Zufuhreinheit 30 mit dem Brennstoffzellen-System 120 verbunden ist, und zwar zusätzlich zur Ausgestaltung des ersten Diagnosemusters. Gemäß dem dritten Diagnosemuster wird die Diagnose durchgeführt, während der Anschlußabschnitt 59 für das Kühlsystem am Anschlußabschnitt 159 für die Kühleinheit befestigt ist, so daß die Kühleinheit 50 mit dem Brennstoffzellen-System 120 verbunden ist, und zwar zusätzlich zur Ausgestaltung des ersten Diagnosemusters. Gemäß dem vierten Diagnosemuster wird die Diagnose durchgeführt, während die Brenngas-Zufuhreinheit 30, die Energieregulierungseinheit 40 und die Kühleinheit 50 jeweils mit dem Brennstoffzellen-System 120 verbunden sind. Das heißt, das erste Diagnosemuster wird angewendet, wenn das Brenngas-Zufuhrsystem 130 und das Kühlsystem 150 untersucht werden sowie der Zustand der Brennstoffzelle 122 bestimmt wird, während das Brenngas-Zufuhrsystem 130 und das Kühlsystem 150 in Betrieb sind. Das zweite Diagnosemuster wird angewendet, wenn eine Regelwidrigkeit im Brenngas-Zufuhrsystem 130 auftritt oder wenn die Diagnose durchgeführt wird, ohne den Einfluß des Brenngas-Zufuhrsystems 130 zu berücksichtigen. Das dritte Diagnosemuster wird angewendet, wenn eine Regelwidrigkeit im Kühlsystem 150 auftritt oder wenn eine Diagnose durchgeführt wird, ohne den Einfluß des Kühlsystems 150 zu berücksichtigen. Das vierte Diagnosemuster wird angewendet, wenn Regelwidrigkeiten im Brenngas-Zufuhrsystem 130 und im Kühlsystem 150 auftreten oder wenn nur die Brennstoffzelle 122 untersucht wird, ohne den Einfluß des Brenngas-Zufuhrsystems 130 und des Kühlsystems 150 zu berücksichtigen.
Im ersten Diagnosemuster wird ein Arbeitsbefehl vom Betriebssteuerabschnitt 61 der Steuereinheit 60 per Datenübertragung an die Fahrzeugbetriebs-Steuereinheit 160 ausgegeben, so daß das Brenngas-Zufuhrsystem 130 und das Energieregulierungssystem 140 auf vorgegebene Weise arbeiten, und ein Schaltsteuersignal wird vom Einheits-Steuerabschnitt 63 an den DC/DC-Wandler 41 der Energieregulierungseinheit 40 ausgegeben, so daß der Strom, der durch die Brennstoffzelle 122 strömt, ein vorgegebenes Muster annimmt. Gemäß den Änderungen der Menge des Stroms, die durch die Brennstoffzelle 122 strömt, werden Informationen über den Zustand der Brennstoffzelle 122 (Zellspannung, Brennstoffzellen-Temperatur usw.) von der Fahrzeugbetriebs-Steuereinheit 160 per Datenübertragung in den Betriebssteuerabschnitt 61 eingegeben. Ein Diagnoseabschnitt 62 bestimmt den Zustand der Brennstoffzelle 122 auf der Grundlage der Informationen über den Zustand der Brennstoffzelle 122, die in den Betriebssteuerabschnitt 61 eingegeben worden sind. Der Zustand der Brennstoffzelle 122 bezüglich beispielsweise einem Fluten auf der Anodenseite, einem Fluten auf der Kathodenseite, einem Austrocknen der Elektrolytmembran, einem Lecken (Vertauschen) von Wasserstoff und Sauerstoff aus der Elektrolytmembran, einem Kurzschluß, einer Vergiftung durch Metallionen usw. kann beispielsweise durch Änderung der Wassermenge, die der Brennstoffzelle 122 zugeführt wird, der Luftmenge, die der Brennstoffzelle 122 zugeführt wird, des Drucks, der an die Brennstoffzelle 122 angelegt wird, oder der Strommenge, die durch die Brennstoffzelle 122 strömt, bestimmt werden.
Im zweiten, dritten oder vierten Diagnosemuster kann selbst dann, wenn mindestens eines der Systeme 130 und 150 für die Brenngaszufuhr bzw. die Kühlung nicht in Ordnung ist, eine Diagnose des Zustands der Brennstoffzelle 122 durchgeführt werden, und zwar durch ein Betreiben der Brenngas-Zufuhreinheit 30 oder der Kühleinheit 50 wie im Fall des ersten Diagnosemusters.
Die Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 20 der bisher beschriebenen Ausführungsform kann den Zustand der Brennstoffzelle 122 bestimmen, während die Brennstoffzelle 122 läuft, aber das Fahrzeug 110 angehalten ist, ohne die in das Fahrzeug 110 eingebaute Brennstoffzelle 122 auszubauen. Darüber hinaus kann selbst dann, wenn eine Regelwidrigkeit im Brenngas-Zufuhrsystem 130 oder im Kühlsystem 150 des Brennstoffzellen-Systems 120 auftritt, die Diagnosevorrichtung 20 den Zustand der Brennstoffzelle 122 bestimmen, während die Brennstoffzelle läuft, wobei die Brenngas-Zufuhreinheit 30 oder die Kühleinheit 50 mit ihr verbunden sind.
In der Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 20 dieser Ausführungsform werden der DC/DC-Wandler 41 und die Batterie 42 als Energieregulierungseinheit 40 verwendet. Solange die von der Brennstoffzelle 122 erzeugte Energie reguliert werden kann, kann jedoch auch ein Verbraucher anstelle der Batterie 42 verwendet werden.
In der Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 20 dieser Ausführungsform wird die Energie, die von der Brennstoffzelle 122 erzeugt wird, durch die Energieregulierungseinheit 40 reguliert. Es ist jedoch auch zweckmäßig, wenn die Energie, die von der Brennstoffzelle 122 erzeugt wird, unter Verwendung des DC/DC-Wandlers 141 und der Batterie 142 des Energieregulierungssystems 140 des Brennstoffzellen-Systems reguliert wird. In diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn die Energie, die von der Brennstoffzelle 122 erzeugt wird, durch Ausgabe eines Schaltsteuersignals an den DC/DC-Wandler 141 über die Fahrzeugbetriebs-Steuereinheit 160 reguliert wird. Ebenso zweckmäßig ist es, wenn die Energie, die von der Brennstoffzelle 122 erzeugt wird, vom Triebmotor 144 des Energieregulierungssystems 140 des Brennstoffzellen-Systems 120 verbraucht wird. In diesem Fall ist es zweckmäßig, eine Antriebseinheit 45 oder dergleichen zu verwenden, wie in 4 dargestellt, die in der Lage ist, mit Lastrollen 46a und 46b die Antriebsräder 114 des Fahrzeugs 110 im Wesentlichen mit der gleichen Last zu beaufschlagen wie bei laufendem Fahrzeug 110. Somit kann die Brennstoffzelle 122 untersucht werden, während das im Fahrzeug 110 installierte Brennstoffzellen-System 120 im wesentlichen den Zustand darstellt wie er bei laufendem Fahrzeug 110 gegeben ist.
In der Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 20 dieser Ausführungsform wird die Brennstoffzelle 122 gemäß einem der ersten bis vierten Diagnosemuster untersucht. Es ist jedoch auch zweckmäßig, wenn die Diagnose der Brennstoffzelle 122 auf der Grundlage einer bestimmten der ersten bis vierten Diagnosemuster nicht durchgeführt werden kann. Das heißt, in der Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 20 kann mindestens eine der Einheiten 30 oder 50 für die Brenngaszufuhr bzw. für die Kühlung weggelassen werden.
Die Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 20 dieser Ausführungsform ist so ausgelegt, daß sie die Brennstoffzelle 122 eines in einem Fahrzeug 110 installierten Brennstoffzellen-Systems untersucht. Die Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung 20 kann jedoch auch so ausgelegt sein, daß sie die Brennstoffzelle eines in einem beweglichen Objekt installierten Brennstoffzellen-Systems untersucht, bei dem es sich nicht um ein Fahrzeug handelt, sondern beispielsweise um ein Flugzeug oder ein Schiff.
Obwohl die Art der Umsetzung der Erfindung bis hierher aufgrund einer Ausführungsform beschrieben wurde, liegt es auf der Hand, daß die Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, und daß die Erfindung auf verschiedene Weise umgesetzt werde kann, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen.

Claims

Diagnosevorrichtung (20) für eine in einem beweglichen Objekt (110) als Energiequelle installierte Brennstoffzelle (122), dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt: eine Betriebssteuereinrichtung (61), zur Steuerung des Betriebes der Brennstoffzelle (122), wobei die Betriebssteuereinrichtung (61) mit einem in dem beweglichen Objekt (110) installierten Steuersystem (160) verbunden ist, wobei die Betriebssteuereinrichtung (61) die Betriebssteuerung der Brennstoffzelle (122) durch Ausgabe eines Arbeitsbefehls an das Steuersystem (160) durchführt; eine erste Energieregulierungseinrichtung (40), zur Regulierung der von der durch die Betriebssteuereinrichtung (61) gesteuerten Brennstoffzelle (122) erhaltenen Energie; und eine Diagnoseeinrichtung (62), zur Bestimmung des Zustandes der Brennstoffzelle (122) aufgrund des Betriebs der von der Betriebssteuereinrichtung (61) gesteuerten Brennstoffzelle (122) während der Regulierung der Energie durch die erste Energieregulierungseinrichtung (40).
Diagnosevorrichtung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Steuersystems (160) Informationen über den Betriebszustand der Brennstoffzelle (122) in die Betriebssteuereinrichtung (61) eingebbar sind.
Diagnosevorrichtung (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagnoseeinrichtung (62) geeignet ist, den Zustand der Brennstoffzelle (122) auf der Grundlage der Informationen über den Betriebszustand der Brennstoffzelle (122), die über das Steuersystem (160) in die Betriebssteuereinrichtung (61) eingegeben wurden, zu bestimmen.
Diagnosevorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebssteuereinrichtung (61) geeignet ist, die Regulierung der Energie durch die erste Energieregulierungseinheit (40) zu steuern.
Diagnosevorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Energieregulierungseinrichtung (40) mit dem Ausgangspol der Brennstoffzelle (122) verbunden ist, wobei die erste Energieregulierungseinrichtung (40) geeignet ist, die Energie durch Absorbieren oder Verbrauchen der von der Brennstoffzelle (122) erhaltenen Energie zu regulieren.
Diagnosevorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Energieregulierungseinrichtung (40) mit einer Akkumulatoreinrichtung (42) ausgestattet ist, welche mit elektrischer Energie geladen wird, und aus der elektrische Energie abgezogen wird, wobei die erste Energieregulierungseinrichtung (40) geeignet ist, die Energie durch Laden der Akkumulatoreinrichtung (42) mit der von der Brennstoffzelle (122) erhaltenen Energie zu regulieren.
Diagnosevorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagnosevorrichtung (20) vom beweglichen Objekt (110) getrennt ist.
Diagnosevorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebssteuereinrichtung (61) geeignet ist, die Energie durch Laden einer im beweglichen Objekt (110) installierten Akkumulatoreinrichtung (142) mit der von der Brennstoffzelle (122) erhaltenen Energie zu regulieren.
Diagnosevorrichtung (20) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Energieregulierungseinrichtung (140) ein Ladesystem ist, das in dem beweglichen Objekt (110) installiert ist, wobei die zweite Energieregulierungseinrichtung (140) geeignet ist, die Akkumulatoreinrichtung (142) mit Energie zu laden, die von der Brennstoffzelle (122) erhalten wird.
Diagnosevorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Energieregulierungseinrichtung (140) geeignet ist, die Energie durch Verbrauchen der Energie, die von der Brennstoffzelle (122) erhalten wird, durch eine Verbrauchereinheit (144), die in dem beweglichen Objekt (110) installiert ist, zu regulieren.
Diagnosevorrichtung (20) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Energieregulierungseinrichtung (140) ein Einheits-Steuersystem (160) umfaßt, das in dem beweglichen Objekt (110) installiert ist, um die Ansteuerung der Verbrauchereinheit (144) zu steuern, welche die Energie verbraucht, die von der Brennstoffzelle (122) erhalten wird.
Diagnosevorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem umfaßt: eine Brenngas-Zufuhreinrichtung (30), zur Versorgung der Brennstoffzelle (122) mit Brenngas, das der Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle (122) dient, anstelle eines im beweglichen Objekt installierten Brenngas-Zufuhrsystems (130).
Diagnosevorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem umfaßt: eine Kühleinrichtung (50), zur Kühlung der Brennstoffzelle (122) anstelle eines in dem beweglichen Objekt (110) installierten Kühlsystems (150).
Diagnoseverfahren für eine in einem beweglichen Objekt (110) als Energiequelle installierte Brennstoffzelle (122), welches die folgenden Schritte umfaßt: Durchführen einer Betriebssteuerung für die Brennstoffzelle (122) mittels einer Betriebssteuereinrichtung (61) durch Ausgabe eines vorgegebenen Arbeitsbefehls an ein in dem beweglichen Objekt (110) installiertes Steuersystem (160), um die Betriebssteuerung der Brennstoffzelle (122) durchzuführen; Regulieren der Energie, die von der Brennstoffzelle (122) erhalten wird, welche durch den vorgegebenen Arbeitsbefehl gesteuert wird; und Bestimmen des Zustands der Brennstoffzelle (122) auf der Grundlage des Betriebs der Brennstoffzelle (122) infolge des Arbeitsbefehls.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Brenngas, das der Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle (122) dient, der Brennstoffzelle (122) für die Diagnose von außerhalb des beweglichen Objekts (110) zugeführt wird.
Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffzelle (122) ein Kühlmittel von außerhalb des beweglichen Objekts (110) zugeführt wird, um die Brennstoffzelle für die Diagnose zu kühlen.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Informationen über den Betriebszustand der Brennstoffzelle (122) in die Betriebssteuereinrichtung (61) eingegeben werden.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand der Brennstoffzelle (122) auf der Grundlage der Informationen über den Betriebszustand der Brennstoffzelle (122), die in die Betriebssteuereinrichtung (61) eingegeben wurden, bestimmt wird.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Regulierung der Energie von der Betriebssteuereinrichtung (61) gesteuert wird.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie durch Absorbieren oder Verbrauchen der von der Brennstoffzelle (122) erhaltenen Energie reguliert wird.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie durch Laden einer im beweglichen Objekt (110) installierten Akkumulatoreinrichtung (142) mit der von der Brennstoffzelle (122) erhaltenen Energie, reguliert wird.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie durch Verbrauchen der von der Brennstoffzelle (122) gelieferten Energie durch eine Verbrauchereinheit (144), die in dem beweglichen Objekt (110) installiert ist, reguliert wird.