DE112006001747T5 - Brennstoffzellensystem und Wechselstromimpedanzmessverfahren - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystem geeignet zur Messung der Wechselstromimpedanz in einer Brennstoffzelle, umfassend:
ein Stabilisierungsmittel für die Leistungserzeugung, um die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle in einem stabilen Zustand zu halten; und
ein Impedanzmeßmittel zur Messung der Wechselstromimpedanz, wenn festgestellt wird, daß die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle sich in einem stabilen Zustand befindet.

Description

  • HINTERGRUND
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere eine Verbesserung der Messung einer Wechselstromimpedanz zur Feststellung eines Betriebszustands einer Brennstoffzelle.
  • Es ist bekannt, daß die Leistungsabgabe einer Brennstoffzelle durch den inneren Zustand der Brennstoffzelle, beispielsweise die Feuchtigkeit eines Elektrolyten, beeinflußt wird. Die Feuchtigkeit eines Elektrolyten ist durch die komplexe Impedanz der Brennstoffzelle meßbar und deshalb wurde im Stand der Technik vorgeschlagen, den Betriebszustand der Brennstoffzelle durch Anlegen eines Wechselstromsignals an den Ausgang der Brennstoffzelle zu überwachen, um sowohl ein Amplitudenverhältnis als auch eine Phasenabweichung zwischen einem Strom und einer Spannung festzustellen und dadurch die komplexe Impedanz zu berechnen.
  • Beispielsweise beschreibt die Offenlegungsschrift der japanischen ungeprüften Patentanmeldung 2003-86220 ein Brennstoffzellensystem, in welchem die komplexe Impedanz einer Brennstoffzelle durch Überlagern eines Sinuswellensignals auf ein Ausgangssignal der Brennstoffzelle, während die Frequenz von einer hohen Frequenz af eine niedrige Frequenz verändert wird und der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle aus einer Widerstandskomponente R1 abgeschätzt wird, die zunimmt, der interne Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle abnimmt und einer Widerstandskomponente R2, die zunimmt, wenn der interne Feuchtigkeitsgehalt übermäßig wird. Die Widerstandskomponente R1 wird gemessen durch Anlegen eines hochfrequenten Sinuswellensignals und die Widerstandskomponente R2 wird gemessen durch Anlegen eines niederfrequenten Sinuswellensignals. Die Offenlegungsschrift der japanischen ungeprüften Patentanmeldung 2003-297408 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, das eine ähnliche Technik anwendet, bei der der Wassergehalt eines gemessenen Gases entweder ausgehend von der Spannung oder vom Strom einer elektrochemischen Zelle ermittelt wird.
  • Gemäß den oben beschriebenen herkömmlichen Techniken kann der interne Feuchtigkeitsgehalt einer Brennstoffzelle indirekt durch Messung der Impedanz in Erfahrung gebracht werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Bei den oben beschriebenen herkömmlichen Techniken besteht jedoch die Tendenz, daß die Meßgenauigkeit sich verschlechtert, wenn ein niederfrequentes Sinussignal angewandt wird. Der Grund dafür ist, daß eine Hilfseinrichtung, wie eine Pumpe und ein Kompressor, als Last für die Brennstoffzelle dient, und deshalb verändert sich der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle entsprechend der Betriebsbedingung der Hilfseinrichtung. Mit anderen Worten, es wird angenommen, daß der Belastungszustand sich in Übereinstimmung mit Aktionen der Hilfseinrichtung verändert, was zu einer Änderung des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle führt. Der Strom ist ein Mittel zur Feststellung der Wechselstromimpedanz und deshalb nimmt die gemessene Wechselstromimpedanz einen ungenauen Wert an, falls sich der Strom periodisch in Übereinstimmung mit der Lastbedingung ändert.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das oben beschriebene Problem zu lösen, indem ein Brennstoffzellensystem und ein Meßverfahren geschaffen werden, durch die eine Wechselstromimpedanz mit einem hohen Präzisionsgrad gemessen werden kann.
  • Um diese Aufgabe zu lösen, ist die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem geeignet zur Messung der Wechselstromimpedanz in einer Brennstoffzelle, umfassend: ein Stabilisierungsmittel für die Leistungserzeugung, um die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle in einem stabilen Zustand zu halten; und ein Impedanz meßmittel zur Messung der Wechselstromimpedanz, wenn festgestellt wird, daß die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle sich in einem stabilen Zustand befindet.
  • Die vorliegende Erfindung ist auch ein Verfahren zum Messen der Wechselstromimpedanz das folgende Schritte umfaßt: Halten der Leistungserzeugung n einer Brennstoffzelle in einem stabilen Zustand und Messen der Wechselstromimpedanz nach Stabilisierung der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Verfahrensabwicklung zur Stabilisierung der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle vor der Messung der Wechselstromimpedanz durchgeführt und deshalb wird ein Grund für die Änderung der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle während der Messung der Wechselstromimpedanz beseitigt. Deshalb entspricht die in diesem Zustand gemessene Wechselstromimpedanz dem Feuchtigkeitszustand der Brennstoffzelle und zeigt eine genaue komplexe Impedanz an.
  • Hier wird beispielsweise die „Wechselstromimpedanz" in einem Niederfrequenzbereich gemessen. Ein „Niederfrequenzbereich" ist ein relativ niederfrequenter Bereich in dem Bereich, in dem eine Wechselstromimpedanz gemessen werden kann, und schließt eine Frequenz w = 0 ein. Die Wechselstromimpedanz in diesem Frequenzbereich ist in der Lage, sich entsprechend dem Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle zu ändern.
  • Ein „stabiler Leistungserzeugungszustand" bezeichnet einen Zustand, in dem die erzeugte Leistung (Leistung, Strom, Spannung) der Brennstoffzelle einen konstanten Wert annimmt, und auch ein Zustand, in dem eine Änderung der erzeugten Leistung in einen vorbestimmten Bereich der erzeugten Leistung oder darunter gedrückt wird.
  • Weiterhin halten die Stabilisierungsmittel für die Leistungserzeugung einen Leistungserzeugungsstrom der Brennstoffzelle auf einem konstanten Niveau.
  • Hier bezeichnet „ein konstantes Niveau" einen festen Stromwert und zeigt auch an, daß die Stromänderung in einen vorbestimmten Strombereich oder darunter gedrückt wird.
  • Bei der vorliegenden Erfindung können die Stabilisierungsmittel für die Leistungserzeugung gebildet sein aus einer elektrisch mit der Brennstoffzelle verbundenen Speichervorrichtung und einem Leistungssteuermittel zur Steuerung der Leistungsübertragung zwischen der Brennstoffzelle und der Speichervorrichtung derart, daß eine Ausgangsleistung der Brennstoffzelle stabilisiert wird. Wenn die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle stabilisiert ist, wird ein fester Leistungsbetrag ausgegeben, aber wenn die erforderliche Lastleistung kleiner ist als die ausgegebene Leistung, wird ein Leistungsüberschuß ausgegeben. Gemäß der oben beschriebenen Konstruktion wird die überschüssige Leistung in die Speichervorrichtung überführt und deshalb wird die Energie effektiv genutzt. Es ist zu beachten, daß ein Leistungsüberschuß auftritt, wenn die verbrauchte Leistung (Lastleistung) der Lastvorrichtung (beispielsweise eines Antriebsmotors oder dergleichen), die elektrisch mit der Brennstoffzelle verbunden ist, geringer ist als die von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung.
  • Des weiteren kann bei der vorliegenden Erfindung das Stabilisierungsmittel für die Leistungserzeugung gebildet sein aus einer elektrisch mit der Brennstoffzelle verbundene Speichervorrichtung und einem Leistungssteuermittel zur Kompensation eines durch die Stabilisierung der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle verursachten Leistungsdefizits durch Entladung aus der Speichervorrichtung. Wenn die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle stabilisiert ist, wird ein fester Leistungsbetrag ausgegeben, aber wenn die erforderliche Lastleistung größer ist als die Ausgangsleistung, wird ein Leistungsdefizit erzeugt. Gemäß der oben beschriebenen Konstruktion wird das Leistungsdefizit durch die Speichervorrichtung versorgt, und deshalb ist es möglich, auf eine Situation zu reagieren, bei der eine Zunahme der Leistungsanforderung während der Messung der Wechselstromimpedanz auftritt. Es ist zu beachten daß ein Leistungsdefizit auftritt, wenn die verbrauchte Leistung (Lastleistung) der elektrisch mit der Brenn stoffzelle verbundenen Lastvorrichtung (beispielsweise ein Antriebsmotor oder dergleichen) größer ist als die von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung.
  • Auch kann bei der vorliegenden Erfindung das Impedanzmeßmittel das Messen der Wechselstromimpedanz stoppen, wenn das Leistungsdefizit die zusätzliche, durch die Entladung der Speichevorrichtung erhaltene Leistung übersteigt. Wenn der stabilisierte Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle derart defizitär ist, daß das Defizit durch Entladung aus der Speichervorrichtung kompensiert wird, und die erforderliche Lastleistung plötzlich wegen einer plötzlichen Aktion des Fahrpedals oder dergleichen ansteigt, kann es unmöglich sein, die erforderliche Lastleistung durch Entladung aus der Speichervorrichtung zu erreichen. Gemäß der oben beschriebenen Konstruktion wird zeitweilig die Wechselstromimpedanzmessung gestoppt, wenn die erforderliche Leistung die Leistung übersteigt, die aus der Speichervorrichtung entladen werden kann, und deshalb ist es möglich, auf eine plötzliche Laständerung anzusprechen.
  • Auch stoppt bei der vorliegenden Erfindung das Impedanzmeßmittel das Messen der Wechselstromimpedanz, wenn eine Leistung, die in die/aus der Speichervorrichtung geladen/entladen werden kann, beschränkt ist.
  • Das Laden/Entladen kann in Bezug auf die Speichervorrichtung in Übereinstimmung mit ihrer Kapazität erfolgen, jedoch abhängig von der Speichervorrichtung und der Temperatur der zugeordneten Vorrichtungen, der Strom, der durch das Leistungssystem fließen kann, kann manchmal begrenzt sein. Gemäß der oben beschriebenen Konstruktion wird die Impedanzmessung gestoppt, wenn ein vorbestimmter Grenzwert der Leistung der Speichervorrichtung erreicht ist, und als Ergebnis wird die Sicherheit und Lebensdauer des Systems verbessert.
  • Die vorliegende Erfindung kann auch so gestaltet werden, daß, wenn sich die Brennstoffzelle in einer einer niedrigen Ausgangsleistung zugeordneten Betriebsweise befindet, die Wechselstromimpedanz gemessen wird nachdem sich der Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle um einen vorgegebenen Wert erhöht hat. Die Wechsel stromimpedanzmessung setzt eine Phasenverzögerung des Stroms relativ zur angelegten Wechselspannung und somit ist die Messung ungenau, wenn nicht ein gewisser Strom zugeführt wird. Bei einer Betriebsweise mit geringer Ausgangsleistung, wie einem Leerlaufbetrieb, ist der Betrag der Leistungserzeugung gering und deshalb ist der Betrag der Leistungserzeugung manchmal für die Wechselstromimpedanzmessung ungeeignet. Gemäß der oben beschriebenen Konstruktion wird in einer Betriebsweise mit niedriger Ausgangsleistung die Messung begonnen, nachdem der Leistungserzeugungsbetrag zugenommen hat, und deshalb kann die Messung der Wechselstromimpedanz mit einem hohen Grad an Präzision ausgeführt.
  • Es ist zu beachten, daß eine „Betriebsweise mit geringer Ausgangsleistung" eine Betriebsweise ist, in der die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle im Vergleich mit einer Nennausgangsleistung oder einer maximalen Ausgangsleistung gering ist.
  • Insbesondere ist die oben kurz beschriebene vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das zu einer Wechselstromimpedanzmessung befähigt ist und umfaßt: eine Speichervorrichtung, die befähigt ist, mit Leistung aus einer Brennstoffzelle geladen zu werden und Leistung an eine Lastvorrichtung abzugeben; ein Stabilisierungsmittel zur Stabilisierung der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle, ein Meßmittel zum Messen der Wechselstromimpedanz nachdem die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle stabilisiert wurde; Lademittel zum Laden eines Leistungsüberschusses in die Speichervorrichtung, wenn ein Leistungsüberschuß als Ergebnis der Leistungserzeugung durch die stabilisierte Brennstoffzelle auftritt; Entlademittel zum Entladen von Leistung aus der Speichervorrichtung, um ein Leistungsdefizit zu kompensieren, wenn als Ergebnis der Leistungserzeugung durch die stabilisierte Brennstoffzelle ein Leistungsdefizit aufritt; Mittel zur Erhöhung des Leistungserzeugungsbetrags zur Messung der Wechselstromimpedanz nach der Erhöhung des Leistungserhöhungsbetrags der Brennstoffzelle um einen vorbestimmten Betrag, wenn sich die Brennstoffzelle in einem Betriebszustand mit niedriger Ausgangsleistung befindet; erste Mittel zum Stoppen der Wechselstromimpedanzmessung, wenn das Leistungsdefizit die entladbare Leistung der Speichervorrichtung überschreitet: und zweite Mittel zum Stoppen der Wechselstrom impedanzmessung, wenn die in die/aus der Speichervorrichtung zu ladende/entladende Leistung beschränkt ist.
  • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Blockschaltbild eines Hybridbrennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform;
  • 2 ist ein Blockdiagramm der Funktionen der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Messung der Wechselstromimpedanz gemäß einer ersten Ausführungsform; und
  • 4 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Messung der Wechselstromimpedanz gemäß einer zweiten Ausführungsform.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die vorliegende Erfindung bei einem in einem Elektroautomobil eingebauten Hybridbrennstoffzellensystem angewandt. Die unten beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich Beispiele für die Weise, in der die vorliegende Erfindung angewandt werden kann und beschränken die vorliegende Erfindung nicht.
  • (Erste Ausführungsform)
  • Eine erste Ausführungsform betrifft ein Brennstoffzellensystem, in dem eine Wechselstromimpedanz in einem Niederfrequenzbereich gemessen wird, nachdem die Leistungserzeugung in einer Brennstoffzelle stabilisiert ist, und insbesondere ein Beispiel, in dem ein die Stabilisierung der Leistungserzeugung einer Brennstoffzelle begleitender Leistungsüberschuß oder begleitendes Leistungsdefizit in eine Speichervorrichtung geladen oder aus dieser entladen werden kann.
  • Die 2 ist ein Blockdiagramm der Funktionen bezogen auf die Messung der Wechselstromimpedanz gemäß der vorliegenden Erfindung, die durch das Hybridbrennstoffzellensystem realisiert ist.
  • Wie in 2 gezeigt, umfaßt das Hybridbrennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle 100 und eine Speichervorrichtung 101, auf die Leistung von der Brennstoffzelle 100 geladen werden kann und von der Leistung an eine Lastvorrichtung 102 abgegeben werden kann. Leistung kann an die Lastvorrichtung 102 sowohl von der 100 als auch von der Speichervorrichtung 101 oder von beiden geliefert werden, und von der Speichervorrichtung 102 erzeugte regenerative Leistung kann in der Speichervorrichtung 101 gespeichert werden. Die Funktion dieses Brennstoffzellensystems zur Messung der Wechselstromimpedanz wird durch eine Steuereinheit 3 zur Verfügung gestellt.
  • Die Steuereinheit 3 umfaßt die folgenden Funktionsblöcke:
    • (1) ein Leistungserzeugungsstabilisierungsmittel 103 zur Stabilisierung der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 100;
    • (2) ein Mittel 104 zur Impedanzmessung zur Messung der Wechselstromimpedanz nachdem die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 100 stabilisiert wurde;
    • (3) ein Lademittel 105 zum Laden eines Leistungsüberschusses in die Speichervorrichtung 101, wenn während der Leistungserzeugung durch die stabilisierte Brennstoffzelle 100 ein Leistungsüberschuß erzeugt wird;
    • (4) ein Entlademittel 106 zur Kompensation eines Leistungsdefizits durch Leistungsentnahme aus der Speichervorrichtung 101, wenn während der Leistungserzeugung durch die stabilisierte Brennstoffzelle 100 ein Leistungsdefizit entsteht;
    • (5) ein erstes Messungsstoppmittel 108 zum Stoppen der Messung der Wechselstromimpedanz, wenn das Leistungsdefizit die Leistung übersteigt, die aus der Speichervorrichtung 101 entnommen werden kann;
    • (6) ein zweites Messungsstoppmittel 109 zum Stoppen der Messung der Wechselstromimpedanz, wenn die Leistung, die in die bzw. aus der Brennstoffzelle 100 geladen/entladen werden kann, begrenzt ist; und
    • (7) ein Mittel 107 zur Erhöhung des Leistungserzeugungsbetrags zur Messung der Wechselstromimpedanz nach der Erhöhung des Leistungserzeugungsbetrags der Brennstoffzelle 100 um einen vorgegebenen Betrag, wenn sich die Brennstoffzelle 100 in einem Betriebszustand mit niedriger Ausgangsleistung befindet.
  • Das Mittel zur Erhöhung des Leistungserzeugungsbetrags, das als konstitutionelles Element (7) dient, wird bei einer zweiten Ausführungsform beschrieben. Bei der ersten Ausführungsform wird die mittels der verbleibenden Funktionsblöcke realisierte Verfahrensweise beschrieben.
  • Die 1 ist ein Blockschaltbild, das die Hybridbrennstoffzellensystem im Detail darstellt.
  • Wie in 1 gezeigt, wird das Hybridbrennstoffzellensystem gebildet von einem Anodengasversorgungssystem 1 zur Zufuhr von als ein Anodengas dienendem Wasserstoffgases zur Brennstoffzelle 100, einem Kathodengasversorgungssystem 2 zur Zufuhr von als Kathodengas dienender Luft zur Brennstoffzelle 100, die Steuereinheit 3, die ein Wechselstromimpedanzmeßverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ausführt, und ein Leistungssystem 4, das als Subjekt für die Wechselstromimpedanzmessung dient.
  • Die Brennstoffzelle 100 hat eine stapelartige Struktur, die aus einer Mehrzahl von gestapelten Zellen (Einzelzellen) besteht. Jede Zelle weist eine Struktur auf, bei der ein als MEA (Membrane Electrode Assembly = Membran-Elektroden-Anordnung) bekannter Leistungserzeugungskörper sandwichartig zwischen einem Paar von Separatoren angeordnet ist, die Kanäle für Wasserstoffgas, Luft und einem polymeren Elektrolyt aufweisen. Die MEA besitzt eine Struktur, bei der ein polymerer Elektrolyt zwischen zwei Elektroden, nämlich einer Anode und einer Kathode, sandwichartig angeordnet ist. Die Anode wird dadurch gebildet, daß eine Brennstoffelektrodenkatalysatorschicht auf einer porösen Trägerschicht angebracht wird, und die Kathode wird dadurch gebildet, daß eine Luftelektrodenkatalysatorschicht auf einer porösen Trägerschicht angebracht wird. Alternativ kann eine Phosphatbrennstoffzelle, eine Karbonat-Brennstoffzelle (mit geschmolzenem Karbonat) oder eine andere Bauart einer Brennstoffzelle benutzt werden.
  • Die Brennstoffzelle 100 verursacht eine umgekehrte Wasserelektrolysereaktion. Als Anodengas dienendes Wasserstoffgas wird vom Brenngasversorgungssystem 1 der Seite der Anode (dem negativen Pol) zugeführt, und als Kathodengas dienende, Sauerstoff enthaltende Luft wird vom Kathodengasversorgungssystem 2 der Seite der Kathode (dem positiven Pol) zugeführt. Es findet auf der Seite der Anode eine Reaktion statt, wie sie in Gleichung (1) dargestellt ist, und auf der Seite der Kathode eine Reaktion, wie sie in Gleichung (2) dargestellt ist. Als Ergebnis tritt eine Elektronenzirkulation auf und verursacht das Fließen eines Stroms. H2 → 2H++2e- (1) 2H++ 2e- + (1/2)O2 → H2O (2)
  • Das Anodengasversorgungssystem 1 umfaßt einen als Versorgungsquelle für den als Brenngas eingesetzten Wasserstoff dienenden Wasserstofftank 10, einen Versorgungskanal 11 für das Anodengas und einen Ableitungskanal 12 für das Anodenabgas.
  • Obwohl in der Zeichnung nicht dargestellt, kann das Anodengasversorgungssystem 1 auch mit einer Wasserstoffpumpe versehen sein, die die Strömung des Wasserstoffgases bewirkt, und mit einem Basisventil, einem Regelventil, einem Absperrventil, einem Rückschlagventil, einer Gas-Flüssigkeits-Scheidevorrichtung und so weiter, die zum Management und der Steuerung des Wasserstoffgases erforderlich sind.
  • Der Wasserstofftank 10 ist mit Hochdruckwasserstoffgas gefüllt. Statt eines Hochdruckwasserstofftanks kann ein ein Wasserstoff absorbierendes Gemisch benutzender Wasserstofftank benutzt werden, ein Reformgas (reformed gas) benutzender Wasserstoffversorgungsmechanismus, ein Tank für Flüssigwasserstoff, und so weiter können als Quelle für die Wasserstoffversorgung angewandt werden. Der Versorgungskanal 11 für das Anodengas ist ein Rohr für die Zuführung des Hochdruckwasserstoffgases, und an einer mittleren Stelle davon kann ein Druckregulierventil (Regler) oder dergleichen, in der Zeichnung nicht dargestellt, vorgesehen sein. Durch den Versorgungskanal 11 für das Anodengas zugeführtes Wasserstoffgas wird der Anodenseite jeder Einzelzelle der Brennstoffzelle 100 über einen Gasverteiler zugeführt und nach der Erzeugung einer elektrochemischen Reaktion in der Anode der MEA wird das Wasserstoffgas als Anodenabgas (Wasserstoffabgas) abgeleitet. Der Ableitungskanal 12 des Anodenabgases ist ein Kanal zur Ableitung des aus der Brennstoffzelle 100 entlassenen Anodenabgases und kann einen Rezirkulationskanal darstellen. Der Rezirkulationskanal ist so ausgebildet, daß er das Anodenabgas über ein Rückschlagventil und einen Ejektor, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, zum Versorgungskanal 11 für das Anodengas zurückführt.
  • Das Kathodengasversorgungssystem 2 umfaßt einen Verdichter 20, einen Versorgungskanal 21 für das Kathodengas und einen Ableitungskanal 22 für das Kathodenabgas. Obwohl in der Zeichnung nicht dargestellt, kann das Kathodengasversorgungssystem 2 auch mit einem Befeuchter zur Steuerung der Feuchtigkeit der als Kathodengas, d. h. Oxidationsgas, dienenden Luft, mit einer Gas-Flüssigkeits-Scheidevorrichtung zur Entfernung des Kathodenabgases (Luftabgas), mit einem Verdünner zur Mischung des Anodenabgases mit dem Kathodenabgas, mit einem Schalldämpfer, und so weiter, versehen sein.
  • Der Verdichter 20 komprimiert über einen Luftreiniger oder dergleichen angesaugte Luft, modifiziert die Luftmenge und den Luftdruck und liefert die Luft an die Kathodenseite der Brennstoffzelle 100. Über die Versorgungsleitung 21 für das Kathodengas zugeführte Luft wird über einen Luftverteiler der Kathodenseite jeder Einzelzelle der Brennstoffzelle 100 in ähnlicher Weise wie das Wasserstoffgas zugeleitet und nach dem Bewirken einer elektrochemischen Reaktion in der Kathode der MEA wird die Luft als Kathodenabgas abgeleitet. Das aus der Brennstoffzelle 100 abgeleitete, durch Verdünnung mit dem Anodenabgas vermischte Kathodenabgas wird dann abgeführt.
  • Das Leistungssystem 4 umfaßt eine Batterie 40, einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 41, einen Zugkraftwandler (traction inverter) 42, einen Antriebsmotor (Zugkraftmotor) 43, einen Hilfswechselrichter 44, eine Hochdruck-Hilfsvorrichtung 45, einen Batteriecomputer 46, einen Stromsensor 47, einen Spannungssensor 48, eine Rückflußverhinderungsdiode 49 und so weiter.
  • Die Batterie 40 ist der Speichervorrichtung 101 der vorliegenden Erfindung zugeordnet und wird von einer beladbaren/entladbaren Sammelbatterie gebildet. Verschiedene Bauformen von Sammelbatterien, wie eine Nickel-Wasserstoff-Batterie, können als Batterie eingesetzt werden. Statt einer Sammelbatterie kann eine beladbare/entladbare Speichervorrichtung, wie ein Kondensator, verwendet werden. Die Batterie 40 ist durch Stapeln und Serienschaltung einer Mehrzahl von Leistung mit einer festen Spannung abgebenden Batterieeinheiten in der Lage, eine hohe Spannung abzugeben.
  • Der Batteriecomputer 46 ist ab einer Ausgangsklemme der Batterie 40 vorgesehen und befähigt, mit der Steuereinheit 3 zu kommunizieren. Der Batteriecomputer 46 überwacht den Ladungszustand der Batterie 40, um die Batterie in einem geeigneten Ladebereich zu halten und eine übermäßige Ladung und Entladung zu verhindern, und informiert die Steuereinheit 3, wenn eine übermäßige Ladung, Entladung oder dergleichen auftritt.
  • Der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 41 veranlaßt einen Leistungsfluß durch Erhöhung/Absenkung einer Spannung zwischen einer Primärseite und einer Sekundärseite. Beispielsweise erhöht der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 41 die Ausgangsspannung der Batterie 40 auf der Primärseite auf die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 auf der Sekundärseite, um die Lastvorrichtung 102 mit Leistung zu versorgen. Im Gegensatz dazu reduziert der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 41 die Spannung eines Leistungsüberschusses der Brennstoffzelle 100 oder rückgewonnener Energie aus der Lastvorrichtung 102 auf der Sekundärseite und lädt damit die Batterie 40 auf der Primärseite.
  • Der Zugkraftwandler 42 wandelt einen Gleichstrom in einen Dreiphasenstrom um und führt den Dreiphasenstrom dem Antriebsmotor 43 zu. Der Antriebsmotor 43 ist beispielsweise ein Dreiphasenmotor und dient als Hauptantriebsquelle des Autos, in das das Brennstoffzellensystem eingebaut ist.
  • Der Hilfswechselrichter 44 dient als Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler für den Antrieb der Hochdruck-Hilfsvorrichtung 45. Die Hochdruck-Hilfsvorrichtung 45 entspricht verschiedenen Bauformen von Motoren, die zum Betrieb des Brennstoffzellensystems erforderlich sind, wie die Motoren des Verdichters 20, der Wasserstoffpumpe und des Kühlsystems.
  • Der Stromsensor 47 stellt den Strom auf der Sekundärseite des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 41 fest und ist befähigt, diesen Strom der Steuereinheit 3 als Ermittlungssignal Si zuzuleiten. Der Spannungssensor 48 stellt die Spannung auf der Sekundärseite fest und ist in der Lage, die Spannung der Steuereinheit 3 als Ermittlungssignal Se zuzuleiten.
  • Die Steuereinheit 3 wird von einem Universalrechner gebildet, der eine CPU (Zentraleinheit), RAM, ROM, eine Schnittstellenschaltung und so weiter umfaßt. Die Steuereinheit 3 führt hauptsächlich im internen ROM gespeicherte Softwareprogramme und so weiter in Folge aus, um das gesamte Brennstoffzellensystem einschließlich des Anodengasversorgungssystems 1, des Kathodengasversorgungssystems 2, und des Leistungssystems 4 zu steuern, und ist auch befähigt, das Wechselstromimpedanzmeßverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung beim Brennstoffzellensystem auszuführen.
  • Insbesondere ist die Steuereinheit 3 in die folgenden Operationsblöcke unterteilt. Die Blöcke mit besonderem Bezug zur vorliegenden Erfindung sind Filter 30, 31, FFT-Bearbeitungseinheiten (Einheiten zur Ausführung schneller Fourier-Transformationen) 32, 33, eine Korrekturbearbeitungseinheit 34, eine Einheit 35 zur Impedanzanalyse, eine Feststellungseinheit 36, eine Speichervorrichtung 37, einen Wechselstromsignalgenerator und einen Addierer 39 für ein Wechselstromsignal.
  • Der Wechselstromsignalgenerator 38 ist ein Oszillator zur Erzeugung eines Wechselstromsignals, das einer Leistungsverdrahtung überlagert wird und vorzugsweise so ausgebildet ist, daß sie Wechselstromsignale sowohl mit hohen als auch mit niedrigen Frequenzen erzeugen kann. In der Brennstoffzelle verändert sich die Frequenzcharakteristik der Wechselstromimpedanz entsprechend dem inneren Zustand, wie der Feuchtigkeit, des Elektrolyten und deshalb ist es durch die Messung von nicht weniger als zwei unterschiedlichen Frequenzen möglich, festzustellen, ob der Elektrolyt überfeuchtet oder trocken ist. Durch Anwendung beispielsweise einer Frequenz von annähernd 300Hz als ein hochfrequentes Wechselstromsignal und einer Frequenz von nicht mehr als 10Hz als ein niederfrequentes Wechselstromsignal kann der interne Zustand der Brennstoffzelle durch Analogie beeinflußt werden. Der Addierer 39 wird beispielsweise von einem Leistungstransistor oder dergleichen gebildet, und dient zur Überlagerung (Modulierung) eines Wechselstromsignals, das vom Wechselstromsignalgenerator 38 auf die Leistungsverdrahtung übertragen wird. Alternativ kann der Ausgang des Wechselstromsignalgenerators 38 auf eine Befehlsspannung des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 41 übertragen werden.
  • Es ist zu beachten, daß die vorliegende Erfindung benutzt wird, um eine Situation zu verhindern, in der die Wechselstromimpedanz wegen der Stromänderung, verursacht durch die Aktionen der Hochdruck-Hilfsvorrichtung und so weiter, nicht genau gemessen werden kann.
  • Die Filter 30 und 31 sind Bandpaßfilter, die nur Wechselstromsignale passieren lassen, die mit den Übertragungsfrequenzen des Wechselstromsignalgenerators 38 übereinstimmen. Der Filter 30 läßt nur die Frequenzkomponente passieren, die der Wechselstromimpedanzmessung des durch den Stromsensor 47 ermittelten Ermittlungssignals Si zugeordnet ist. Der Filter 31 läßt nur die Frequenzkomponente passieren, die der Wechselstromimpedanzmessung des durch den Spannungssensor 47 ermittelten Ermittlungssignals Se zugeordnet ist.
  • Die FFT-Bearbeitungseinheiten 32 und 33 führen eine schnelle Fourier-Transformationsberechung beim Stromermittlungssignal Si und dem Spannungsermittlungssignal Se durch und teilen das Stromermittlungssignal Si und das Spannungsermittlungssignal Se in den Meßfrequenzkomponenten auf in einen reelen Teil bzw. einen imaginären Teil (ai + jbi, ae + jbe )). Die Impedanzanalyseeinheit 35 berechnet die Wechselstromimpedanz X(aX + jbx) auf der Basis des Spannungsermittlungssignals und des Stromermittlungssignals, die der FFT-Bearbeitung unterworfen sind, bestimmt den Abstand von einem Ursprung auf einer komplexen Ebene (Effektivwert) r(=√(aX 2 + jbx2) und einen Phasenwinkel θ(= tan-1(b/a), und bestimmt die Wechselstromimpedanz im Wechselstromsignal der angewandten Frequenz.
  • Dabei korrigiert die Korrekturbearbeitungseinheit 34 die Phasenverzögerung und die Veränderung der Signalstärke (gain), die gemäß den Filtercharakteristika der Filter 30 und 31 auftreten. die Korrekturbearbeitungseinheit 34 korrigiert Koeffizienten (ai, bi, ae, be) des reellen Teils und des imaginären Teils in den FFT-Bearbeitungseinheiten 32 und 33 auf der Basis der vorab gemessenen Veränderung von Phasenverzögerung und Signalstärke an den Filtern 30 und 31. Als Ergebnis dieser Korrekturmaßnahmen wer den das aktuelle Spannungsermittlungssignal und das aktuelle Stromermittlungssignal unter Ausschluß der in Übereinstimmung mit den Filtercharakteristika auftretenden Phasenverzögerung und Signalstärkeänderung erhalten.
  • Die Feststellungseinheit 36 speichert den Effektivwert und Phasenwinkel, die durch die Einheit 35 zur Impedanzanalyse festgestellt worden sind, oder einen reellen Teil und einen imaginären Teil (axf1, bxf1)(axf2, bxf2) auf einer komplexen Ebene bei zwei unterschiedlichen Frequenzen f1 und f2 in der Speichervorrichtung 37. Um die Widerstandsüberspannung und die Diffusionsüberspannung einer Brennstoffzelle festzustellen, wird eine Impedanzkurve auf einer komplexen Ebene durch eine geometrische Berechnung basierend auf zwei Punkten auf dieser komplexen Ebene bestimmt, worauf der Widerstandswert bei einer unendlichen Frequenz als Elektrolytwiderstand festgelegt wird und der Widerstand bei einer Frequenz Null als Widerstandskonversionswert der Aktivierungsüberspannung und der Diffusionsüberspannung.
  • Durch Bestimmung und Speicherung der Wechselstromimpedanz während die Übertragungsfrequenz des Wechselstromsignalgenerators 38 verändert wird, kann die Impedanzkurve festgestellt werden, ohne daß spezielle geometrische Berechnungen erforderlich sind.
  • Die Feststellungseinheit 36 wird auf der Basis der vorliegenden Erfindung konstruiert, um den Betriebszustand des Brennstoffzellensystems auf der Grundlage der Wechselstromimpedanzmessung zu steuern. Dies wird nachfolgend im Detail beschrieben.
  • Ein Meßverfahren für die Wechselstromimpedanz gemäß der ersten Ausführungsform, das durch die Feststellungseinheit 36 implementiert wird, wird nun unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm in 3 beschrieben. Ein besonderes Merkmal dieses Meßverfahrens für die Wechselstromimpedanz besteht darin, daß die Wechselstromimpedanz in einem niederfrequenten Bereich gemessen wird, nachdem die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 100 stabilisiert ist.
  • Zunächst wird festgestellt, ob eine Verfahrensweise für die Implementierung der Messung der Wechselstromimpedanz im niederfrequenten Bereich eingestellt wurde (S1). Die Messung der Wechselstromimpedanz im niederfrequenten Bereich ist eine Wechselstromimpedanzmessung in einem Frequenzband, das durch den Betrieb der Brennstoffzelle betroffen ist, beispielsweise ein Frequenzband von 10Kz oder weniger.
  • Wenn die niederfrequente Betriebsweise der Wechselstromimpedanzmessung nicht eingestellt wurde, (S1: NEIN) wird die Festlegung getroffen, ob zur Betriebsweise der Wechselstromimpedanzmessung geschaltet werden soll oder nicht. Zunächst wird als ein erstes Merkmal der vorliegenden Erfindung die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 100 stabilisiert. Insbesondere werden das Drehmoment des Antriebsmotors 43 und die Hochdruck-Hilfsvorrichtung 45 in der Brennstoffzelle 100 fixiert, um den Lastzustand zu stabilisieren und der Durchfluß des Wasserstoffgases und der Luft, die der Brennstoffzelle 100 zugeführt erden, wird fixiert. Wenn das geschieht, wird der Betriebszustand der Brennstoffzelle stabilisiert und als Ergebnis wird der von der Brennstoffzelle 100 erzeugte Strom fixiert (S2). Die zu diesem Zeitpunkt fixierte erzeugte Leistung wird auf einen fixierten Wert Pc gesetzt.
  • Danach wird ein Ermittlungssignal SSOC, das den Ladungszustand der Batterie 40 anzeigt, vom Batteriecomputer 46 gelesen (S3). Durch Berücksichtigung dieses Ermittlungssignals SSOC kann festgestellt werden, ob die Batterie 40 sich innerhalb eines geeigneten Ladebereichs, eines übermäßig entladenen oder eines überladenen Bereichs befindet. Ein die interne Temperatur der Batterie 40 anzeigendes Ermittlungssignal St1 und ein die interne Temperatur des Wandlers 41 anzeigendes Ermittlungssignal St2 werden ebenfalls berücksichtigt. Wenn die interne Temperatur der Batterie 40 oder des Wandlers 41 zu hoch ist, ist es unter dem Gesichtspunkt des Schutzes des Elements und so weiter unzweckmäßig, einen weiteren Stromfluß zu verursachen, und deshalb kann in Abhängigkeit von der Temperatur der Stromgrenzwert des Systems in Erfahrung gebracht werden.
  • Nun wird eine Feststellung getroffen, ob das Verfahren zur Messung der Wechselstromimpedanz auf EIN geschaltet (S4) werden soll oder nicht.
  • Zunächst wird die Feststellung getroffen, ob eine festgelegte Zeitspanne T seit der vorhergehenden Messung der Wechselstromimpedanz verstrichen ist oder nicht. Die Messung der Wechselstromimpedanz wird benutzt, um den Zustand des Brennstoffzellensystems zu prüfen, und deshalb sollte eine geeignete Zeitspanne T vorgesehen werden, innerhalb welcher eine Veränderung im Systemzustand auftreten kann.
  • Danach wird eine Feststellung getroffen, ob die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 100 stabil ist oder nicht. Eine stabile Leistungserzeugung zeigt einen Zustand an, in dem die Versorgung der Brennstoffzelle 100 mit Brenngas (Wasserstoffgas, Luft) auf einem festen Niveau gehalten wird, oder angehalten ist und die Leistung beispielsweise dem Motor 43 und der Hochdruck-Hilfsvorrichtung 45 hauptsächlich von der Batterie 40 zugeführt wird. Diese Feststellung wird getroffen, um eine Situation zu verhindern, in der sich der von der Brennstoffzelle 100 erzeugte Strom aufgrund einer Laständerung oder einer Aktion der Hochdruck-Hilfsvorrichtung 45 verändert, was zu einer Änderung der Amplitude (Signalstärke) des aktuellen Stromermittlungssignals führt, die als Basis für die Messung der Wechselstromimpedanz dient.
  • Es ist zu beachten, daß die Feststellung, ob die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 100 stabil ist oder nicht, durch Berücksichtigung der Ermittlungssignale vom Stromsensor 47 und vom Spannungssensor 48 getroffen werden kann, anstatt wie oben beschrieben den Lastzustand der Brennstoffzelle auf einem festen Niveau zu halten und Menge der Brenngasversorgung zu fixieren. Falls der durch den Stromsensor 47 ermittelte Stromwert und er durch den Spannungssensor 48 ermittelte Spannungswert beide wenigstens während einer festgelegten Zeitspanne innerhalb des vorgegebenen Veränderungsbereichs bleiben, kann die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle als stabil betrachtet werden.
  • Des weiteren erfolgt beim Start mit der Batterie eine Bestätigung, daß im System kein Stromgrenzwert aufgetreten ist. Es werden beispielsweise Feststellungen getroffen, ob die Batterie 40 sich in einem übermäßig entladenen oder überladenen Zustand befindet oder nicht, und ob die interne Temperatur der Batterie 40 oder des Wandlers 41 zu hoch ist oder nicht. Der Grund für diese Feststellungen ist, daß es beim Auftreten eines Stromgrenzwerts unzweckmäßig ist, die Leistungsversorgung aus der Batterie 40 zu erhöhen, und deshalb muß die Antriebsleistung des Antriebsmotors 43 und der Hochdruck-Hilfsvorrichtung 45 durch die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 abgedeckt werden.
  • Wenn diese Bedingungen alle erfüllt sind (S4: JA), wird die Betriebsart der Wechselstromimpedanzmessung auf EIN geschaltet (S5). Falls irgendeine der Bedingungen nicht erfüllt ist (S4: NEIN), wird das Verfahren beendet, ohne daß die Betriebsart der Wechselstromimpedanzmessung auf EIN geschaltet wird.
  • Andererseits, wenn die Betriebsart der Wechselstromimpedanzmessung bereits auf EIN geschaltet ist (S1: JA), wird eine Feststellung getroffen, ob die Wechselstromimpedanzmessung aufrecht erhalten werden kann.
  • Zunächst wird die von der Brennstoffzelle 100 angeforderte Leistung abgelesen (S10). Die von der Brennstoffzelle 100 angeforderte Leistung wird auf der Basis des Fahrpedalbetätigungssignals Sa und einer Schaltpositionssignals Ss als die Leistung festgestellt, die vom System angefordert wird, um die aktuell angeforderte Betriebsbedingung zu erhalten. Dann wird das Ermittlungssignal SSOC des Batteriecomputers 46 gelesen (S12).
  • Danach wird eine Feststellung getroffen, ob eine Bedingung zur Fortsetzung der Wechselstromimpedanzmessung erfüllt wurde (S12) oder nicht.
  • Zunächst wird eine Feststellung getroffen, ob eine auf den Start der Wechselstromimpedanzmessung folgende Änderung der angeforderten Leistung größer als ein vorgegebener Schwellenwert gelegten ist oder nicht. Der Schwellenwert Pth wird entsprechend der Leistungsmenge festgelegt, die von der Batterie 40 pro Zeiteinheit zugeführt werden kann. Der Grund für diese Festlegung ist es, daß die Leistungsanforderung nicht allein durch die Leistungsversorgung aus der Batterie 40 befriedigt werden kann, wenn die Änderung der vom System angeforderten Leistung einem festgelegten Wert entspricht oder diesen überschreitet.
  • Weiterhin wird eine Feststellung getroffen, daß ein Stromgrenzwert bei der Batterie und anderen Komponenten des Systems nicht aufgetreten ist. Beispielsweise wird die Feststellung getroffen, ob die Batterie 40 sich in einem übermäßig entladenen oder überladenen Zustand befindet oder nicht, und ob die interne Temperatur der Batterie 40 oder des Wandlers 41 zu hoch ist oder nicht. Der Grund fair diese Feststellungen ist, daß es beim Auftreten eines Stromgrenzwerts unzweckmäßig ist, die Leistungsversorgung aus der Batterie 40 zu erhöhen, und deshalb muß die Antriebsleistung des Antriebsmotors 43 und der Hochdruck-Hilfsvorrichtung 45 durch die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 abgedeckt werden. In diesem Falle kann die Wechselstromimpedanzmessung nicht durchgeführt werden.
  • Wenn irgendeine dieser Bedingungen erfüllt ist (512: JA) ist zeitweilig eine Wechselstromimpedanzmessung unzweckmäßig und deshalb wird die Betriebsart der Wechselstromimpedanzmessung auf AUS geschaltet (S18) und das Verfahren wird beendet.
  • Andererseits, wenn keine der Bedingungen beim Schritt S12 erfüllt ist (S12: NEIN), bedeutet das, daß das System mit der Leistung betrieben wird, die allein von der Batterie 40 zugeführt wird, und deshalb wird die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 100 unter Anwendung des fixen Leistungswertes Pc fortgesetzt (S13).
  • Wenn die oben beschriebene Vorbereitung vollendet ist, wird die Wechselstromimpedanzmessung fortgesetzt (S14). Das Spannungsermittlungssignal Se und das Stromermittlungssignal Si werden bei jeder Frequenz des Wechselstromsignals festgestellt und das festgestellte Spannungsermittlungssignal und das festgestellte Stromermittlungssignal werden in der Speichervorrichtung 37 gespeichert. Dieses Verfahren zur Wechselstromimpedanzmessung kann so gestaltet werden, daß die Feststellungen bei einer neuen Frequenz jedesmal dann durchgeführt werden, wenn die beginnt, oder derart, daß die Feststellung gleichzeitig bei einer Mehrzahl von Frequenzen durchgeführt wird.
  • Wenn die Messung bei allen für die Messung relevanten Frequenzen nicht vollständig ist (S15: NEIN), wird die nächste Messung durchgeführt, und wenn die Messung für alle Frequenzen vollständig ist (S15: JA) wird die dem niederfrequenten Bereich zugeordnete Wechselstromimpedanz auf der Basis des Spannungsermittlungssignals und des Stromermittlungssignals berechnet (S16). Mit anderen Worten, die Wechselstromimpedanz wird auf der Basis des Phasenunterschieds und des Unterschieds der Signalstärke zwischen der Spannungskomponente und der Stromstärkekomponente festgestellt. Die festgestellte Wechselstromimpedanz gespeichert und aktualisiert als Parameter, der den internen Zustand bei dieser Frequenz und zum aktuellen Zeitpunkt anzeigt (S17) Sobald der interne Zustand aktualisiert wurde, wird die Betriebsweise der Wechselstromimpedanzmessung auf AUS geschaltet (S18).
  • Die Beschreibung anhand dieses Ablaufdiagramms ist ein Beispiel für die vorliegende Erfindung und es gibt keine Beschränkungen hinsichtlich der Details und der Abfolge des Verfahrens. Solang die Brennstoffzelle stabilisiert ist, bevor die aktuelle Messung der Wechselstromimpedanz beginnt, und die Messung der Wechselstromimpedanz gestoppt wird, wenn die erforderliche Leistung des Systems groß ist oder ein Stromgrenzwert im System auftritt, kann die vorliegende Erfindung nach Wunsch modifiziert werden.
  • Gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform wird die Verfahrensdurchführung zur Stabilisierung der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle (S2) vor der Wechselstromimpedanzmessung durchgeführt, und deshalb wird während der Wechselstromimpedanzmessung ein Anlaß zur Veränderung der erzeugten Leistung der Brennstoffzelle eliminiert. Somit kann die Wechselstromimpedanz mit einem großen Grad an Genauigkeit gemessen werden.
  • Ebenso kann gemäß der ersten Ausführungsform ein während der Stabilisierung der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 erzeugter Leistungsüberschuß in die Batterie 40 geladen werden, und deshalb wird Energie effizient genutzt.
  • Auch wird gemäß der ersten Ausführungsform ein während der Stabilisierung der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 erzeugter Leistungsüberschuß durch Entladung aus der Batterie 40 kompensiert, und deshalb kann eine Laständerung befolgt werden, ohne daß die Messung der Wechselstromimpedanz gestoppt wird, wenn während der Messung die angeforderte Lastleistung (load power) zunimmt.
  • Auch kann gemäß der ersten Ausführungsform die Messung der Wechselstromimpedanz gestoppt werden (S12, S18), wenn die durch die Entladung aus der Batterie 40 zur Verfügung stehende Leistung Pth überschritten wird, wodurch es ermöglicht wird, auf plötzliche Lastveränderungen, wie eine plötzliche Aktion des Fahrpedals, zu reagieren.
  • Ebenfalls gemäß der ersten Ausführungsform wird die Messung der Wechselstromimpedanz gestoppt (S12, S18), wenn Leistung, die in die/aus der Batterie 40 und so weiter geladen/entladen werden kann, begrenzt ist, und als Ergebnis kann die Sicherheit und Lebensdauer des Systems verbessert werden.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Wechselstromimpedanz bei einer Betriebsweise mit niedriger Leistungsabgabe, wie einem Leerlaufbetrieb.
  • Das Blockschaltbild eines Systems in 1 und das Blockdiagramm der Funktionen in 2 sind so wie sie sind auf das Hybridbrennstoffzellensystem nach der zweiten Ausführungsform anwendbar, weshalb ihre Beschreibung hier entfällt.
  • Ein Verfahren zur Messung der Wechselstromimpedanz gemäß der zweiten Ausführungsform wird nun auf der Basis des Ablaufdiagramms in 4 beschrieben. Während der Wechselstromimpedanzmessung gemäß der zweiten Ausführungsform wird, wenn die Brennstoffzelle sich in einem Betriebszustand mit niedriger Leistungsabgabe befindet, die Wechselstromimpedanz gemessen, nachdem der Betrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle um einen vorgegebenen Betrag zugenommen hat. Dieses Ablaufdiagramm betrifft eine spezielle Verfahrensweise zur Messung der Wechselstromimpedanz, wenn die Brennstoffzelle sich in einem Zustand niedriger Leistungsabgabe befindet.
  • Zunächst wird eine Feststellung getroffen, ob eine Betriebsweise zur Implementierung einer Wechselstromimpedanzmessung bei niedriger Leistungsabgabe eingestellt ist (S20). Wenn die Betriebsweise zur Implementierung einer Wechselstromimpedanzmessung bei niedriger Leistungsabgabe nicht eingestellt ist (S20: NEIN), wird die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 stabilisiert unter der Voraussetzung einer Feststellung, ob auf die Betriebsweise der Wechselstromimpedanzmessung geschaltet werden soll oder nicht (S21). Insbesondere wird das Drehmoment des Antriebsmotors 43 und der Hochdruck-Hilfsvorrichtung 45 in der Brennstoffzelle 100 fixiert, um den Belastungszustand zu stabilisieren, und der Durchfluß des Wasserstoffgases und der Luft, die der Brennstoffzelle zugeführt werden, wird ebenfalls fixiert. Dadurch wird der Betriebszustand der Brennstoffzelle stabilisiert und als Ergebnis wird der von der Brennstoffzelle 100 erzeugte Strom derart fixiert, daß die erzeugte Leistung auf den festen Wert Pc eingestellt ist.
  • Danach wird das den Ladungszustand der Batterie 40 anzeigende Ermittlungssignal SSOC vom Batteriecomputer 46 gelesen (S22), um festzustellen, ob die Batterie 40 sich innerhalb eines geeigneten Ladebereichs, einem übermäßig entladenen Bereichs oder eines überladenen Bereich befindet. Das die interne Temperatur der Batterie 40 anzeigende Ermittlungssignal St1 und das die interne Temperatur des Wandlers 41 anzeigende Ermittlungssignal St2 werden auch berücksichtigt.
  • Danach wird die Entscheidung getroffen, ob die Betriebsweise der Wechselstromimpedanzmessung auf EIN (S23) geschaltet werden soll oder nicht.
  • Zunächst wird die Feststellung getroffen, ob die festgesetzte Zeitspanne T seit der vorhergehenden Wechselstromimpedanzmessung verstrichen ist oder nicht. Danach wird die Feststellung getroffen, ob die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 100 stabil ist oder nicht. Des weiteren erfolgt eine Bestätigung, daß im System ein Stromgrenzwert in dem mit der Batterie startenden System nicht aufgetreten ist. Diese Feststellungen sind identisch mit der ersten Ausführungsform.
  • Des weiteren wird bei dieser Ausführungsform eine Feststellung getroffen, ob der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle kleiner ist als der Meßstromwert Id, der für die Wechselstromimpedanzmessung erforderlich ist (S25). Die Wechselstromimpedanz wird durch Messung der Spannung und des Stroms des aufgebrachten Wechselstromsignals gemessen und Berechnung der Wechselstromimpedanz ausgehend von der Phase und dem Amplitudenniveau der Verzögerung (Voreilung) des Stroms relativ zur Spannung. Somit ist die Wechselstromimpedanzmessung mit Fehlern und Rauschen behaftet, wenn der festgestellte Strom nicht eine gewisse Größe aufweist, was es unmöglich macht, die Wechselstromimpedanz genau zu messen. Hier wird eine Feststellung getroffen, ob die Brennstoffzelle 100 sich in einem solchen Zustand mit niedriger Ausgangsleistung (mit anderen Worten, ein normal wirkender Zustand, in dem eine Wechselstromimpedanzmessung nicht unterwegs ist) befindet.
  • Wenn alle diese Bedingungen erfüllt sind (S23: JA) wird die der niedrigen Ausgangsleistung zugeordnete Betriebsweise der Wechselstromimpedanzmessung auf EIN geschaltet (S24). Wenn irgendeine der Bedingungen nicht erfüllt ist, (S23: NEIN) wird der Verfahrensablauf beendet ohne die Betriebsweise der Wechselstromimpedanzmessung auf EIN zu schalten.
  • Wenn die der niedrigen Ausgangsleistung zugeordnete Wechselstromimpedanzmessung bereits auf EIN geschaltet ist (S20: JA), wird eine Feststellung getroffen, ob es möglich ist, die Betriebsweise der Impedanzmessung aufrechtzuerhalten oder nicht.
  • Zunächst wird die von der Brennstoffzelle 100 geforderte Leistung gelesen (S30). Die von der Brennstoffzelle 100 geforderte Leistung wird festgestellt auf der Basis des Fahrpedalbetätigungssignals Sa und des Schaltpositionssignals Ss als die vom System benötigte Leistung, um den aktuell geforderten Betriebszustand zu erhalten. Dann wird das Ermittlungssignal SSOC des Batteriecomputers 46 gelesen (S31).
  • Danach wird die Feststellung getroffen, ob eine Bedingung für die Fortsetzung der Wechselstromimpedanzmessung erfüllt wurde oder nicht (S32).
  • Zunächst wird eine Feststellung getroffen, ob der erforderliche, aus dem Leistungsbedarf der Brennstoffzelle 100 berechnete Strom größer ist als der Strom Id für die Messung der Wechselstromimpedanz. Wenn der aus dem Leistungsbedarf der Brennstoffzelle 100 berechnete Strom größer ist als der Strom Id für die Messung der Wechselstromimpedanz, können die Leistungsanforderungen durch die Versorgung aus der Batterie allein nicht befriedigt werden. Die Feststellung kann ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform eher gemäß dem Leistungsbetrag als durch das Vergleichen von Stromwerten getroffen werden.
  • Des weiteren wird ähnlich der ersten Ausführungsform eine Feststellung getroffen, daß in der Batterie und anderen Systemkomponenten ein Stromgrenzwert nicht aufgetreten ist. Beispielsweise werden Feststellungen getroffen, ob de Batterie 40 in einem übermäßig entladenen oder überladenen Zustand ist oder nicht, und ob die interne Temperatur der Batterie 40 oder des Wandlers 41 zu hoch ist oder nicht. Der Grund für diese Feststellungen ist es, daß, wenn ein Stromgrenzwert auftritt, es unzweckmäßig ist, die Leistungsversorgung von der Batterie und so weiter zu erhöhen, und deshalb muß die Antriebsleistung des Fahrzeugmotors 43 und der Hochdruck-Hilfsvorrichtung 45 durch die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 100 abgedeckt sein. In diesem Falle kann die Messung der Wechselstromimpedanz nicht ausgeführt werden.
  • Wenn irgendeine dieser Bedingungen erfüllt ist (S32: JA), ist die Wechselstromimpedanzmessung zeitweilig unangebracht und deshalb wird die Betriebsweise der Wechselstromimpedanzmessung auf AUS geschaltet (S38), und der Verfahrensablauf wird beendet.
  • Andererseits, wenn keine der Bedingungen beim Schritt S32 erfüllt ist (S32: NEIN), wird die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle erhöht, um den für die Messung der Wechselstromimpedanz geeigneten Stromwert Id zu erhalten, und wenn Leistung schon mit dem für die Messung geeigneten Stromwert Id erzeugt wird, wird dieser Zustand beibehalten (S33). Somit wird die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 100 mit dem stabilen Stromwert Id für die Messung fortgesetzt.
  • Dann wird die Messung der Wechselstromimpedanz ausgeführt (S34). Das Spannungsermittlungssignal Se und das Stromermittlungssignal Si bei jeder Frequenz des Wechselstromsignals festgestellt und das festgestellte Spannungsermittlungssignal und Stromermittlungssignal werden in der Speichervorrichtung 37 gespeichert. Dieses Meßverfahren für die Wechselstromimpedanz kann so gestaltet sein, daß die Feststellungen bei einer neuen Frequenz jedesmal dann durchgeführt werden, wenn die Abfolge beginnt, oder derart, daß die Feststellung gleichzeitig bei einer Mehrzahl von Frequenzen durchgeführt wird.
  • Wenn die Messung bei allen für die Messung relevanten Frequenzen nicht vollständig ist (S35: NEIN), wird die nächste Messung durchgeführt, und wenn die Messung für alle Frequenzen vollständig ist (S35: JA) wird die dem niederfrequenten Bereich zugeordnete Wechselstromimpedanz auf der Basis des Spannungsermittlungssignals und des Stromermittlungssignals berechnet (S 16). Mit anderen Worten, die Wech selstromimpedanz wird auf der Basis des Phasenunterschieds und des Unterschieds der Signalstärke zwischen der Spannungskomponente und der Stromstärkekomponente festgestellt. Die festgestellte Wechselstromimpedanz gespeichert und aktualisiert als Parameter, der den internen Zustand bei dieser Frequenz und zum aktuellen Zeitpunkt anzeigt (S37) Sobald der interne Zustand aktualisiert wurde, wird die Betriebsweise der Wechselstromimpedanzmessung auf AUS geschaltet (S38).
  • Die Beschreibung anhand dieses Ablaufdiagramms ist ein Beispiel für die vorliegende Erfindung und es gibt keine Beschränkungen hinsichtlich der Details und der Abfolge des Verfahrens. Solang die Brennstoffzelle stabilisiert ist, bevor die aktuelle Messung der Wechselstromimpedanz beginnt, und die Messung der Wechselstromimpedanz gestoppt wird, wenn die erforderliche Leistung des Systems groß ist oder ein Stromgrenzwert im System auftritt, kann die vorliegende Erfindung nach Wunsch modifiziert werden.
  • Gemäß der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform und zusätzlich zu Aktionen und Effekten, die durch die erste Ausführungsform offenbart wurden, wird die Messung nach der Erhöhung des Leistungserzeugungsbetrags begonnen, wenn eine Betriebsweise mit niedriger Ausgangsleistung eingestellt wurde, und deshalb kann die Impedanz mit großer Genauigkeit gemessen werden.
  • (Andere Ausführungsformen)
  • Die vorliegende Erfindung kann zusätzlich zu den oben beschriebenen Ausführungsformen verschiedenen Abwandlungen unterworfen werden.
  • Beispielsweise wird bei den oben beschriebenen Ausführungsformen die vorliegende Erfindung auf eine Wechselstromimpedanzmessung angewandt, jedoch kann das Konzept der vorliegenden Erfindung auf einen Fall angewandt werden, bei dem ein veränderlicher physikalischer Wert entsprechend einer Aktion einer Lastvorrichtung, wie einer Hochdruck-Hilfsvorrichtung. Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung kann durch Steuerung des Betriebszustandes der Lastvorrichtung angewandt werden, um die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle vor der Messung des physikalischen Wertes zu stabilisieren.
  • Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wird ein Hybridbrennstoffzellesystem, eingebaut in ein als ein beweglicher Körper dienendes Fahrzeug, als ein Beispiel benutzt, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf ein in ein Auto eingebautes Brennstoffzellesystern beschränkt und kann auf ein Hybridbrennstoffzellensystem angewandt werden, das in einen anderen beweglichen Körper eingebaut ist, wie ein Schiff oder ein Flugzeug. Unnötig zu sagen, daß die Erfindung auch auf ein stationäres Hybridbrennstoffzellensystem angewandt werden kann.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Wechselstromimpedanz gemessen, nachdem die Leistungserzeugung in einer Brennstoffzelle in einen stabilen Zustand versetzt worden ist. Deshalb tritt während der Messung keine externe Störung auf und die Wechselstromimpedanz kann mit einem hohen Maß an Präzision durchgeführt werden.
  • Zusammenfassung Brennstoffzellensystem und Wechselstromimpedanzmessverfahren
  • Ein zum Messen der Wechselstromimpedanz geeignetes Brennstoffzellensystem umfaßt ein Stabilisierungsmittel (103) zur Stabilisierung der Leistungserzeugung in einer Brennstoffzelle (100) und ein Mittel (104) zum Messen der Wechselstromimpedanz nachdem die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle (100) stabilisiert wurde. Weil die Wechselstromimpedanz in einem Niederfrequenzbereich gemessen wird, nachdem die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle (100) stabilisiert wurde, treten während der Messung keine externen Störungen auf und die Wechselstromimpedanz kann mit einem hohen Grad an Präzision gemessen werden. Somit können ein Brennstoffzellensystem und ein Meßverfahren vorgesehen werden, mit denen die Wechselstromimpedanz mit einem hohen Grad an Präzision gemessen werden können.

Claims (10)

  1. Brennstoffzellensystem geeignet zur Messung der Wechselstromimpedanz in einer Brennstoffzelle, umfassend: ein Stabilisierungsmittel für die Leistungserzeugung, um die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle in einem stabilen Zustand zu halten; und ein Impedanzmeßmittel zur Messung der Wechselstromimpedanz, wenn festgestellt wird, daß die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle sich in einem stabilen Zustand befindet.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Stabilisierungsmittel für die Leistungserzeugung einen Leistungserzeugungsstrom der Brennstoffzelle auf einem konstanten Niveau hält.
  3. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Stabilisierungsmittel für die Leistungserzeugung umfaßt: eine elektrisch mit der Brennstoffzelle verbundene Speichervorrichtung; und Leistungssteuermittel zur Steuerung der Leistungsübertragung zwischen der Brennstoffzelle und der Speichervorrichtung derart, daß eine Ausgangsleistung der Brennstoffzelle stabilisiert wird.
  4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Stabilisierungsmittel für die Leistungserzeugung umfaßt: eine elektrisch mit der Brennstoffzelle verbundene Speichervorrichtung; und Leistungssteuermittel zur Kompensation eines durch die Stabilisierung der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle verursachten Leistungsdefizits durch Entladung aus der Speichervorrichtung.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzmeßmittel das Messen der Wechselstromimpedanz stoppt, wenn das Leistungsdefizit die zusätzliche, durch die Entladung der Speichevorrichtung erhaltene Leistung übersteigt.
  6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzmeßmittel das Messen der Wechselstromimpedanz stoppt, wenn eine Leistung, die in die/aus der Speichervorrichtung geladen/entladen werden kann, beschränkt ist.
  7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn sich die Brennstoffzelle in einer einer niedrigen Ausgangsleistung zugeordneten Betriebsweise befindet, die Wechselstromimpedanz gemessen wird, nachdem sich der Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle um einen vorgegebenen Wert erhöht hat.
  8. Verfahren zum Messen der Wechselstromimpedanz umfassend folgende Schritte; Halten der Leistungserzeugung in einer Brennstoffzelle in einem stabilen Zustand; und Messen der Wechselstromimpedanz nach Stabilisierung der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle.
  9. Brennstoffzellensystem umfassend: eine Brennstoffzelle; eine Leistungsermittlungsvorrichtung zur Feststellung einer Ausgangsleistung der Brennstoffzelle; eine Wechselstromimpedanzmeßvorrichtung zur Messung der Wechselstromimpedanz auf der Basis der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle; eine Brenngasversorgungsvorrichtung zur Zufuhr von Brenngas zur Brennstoffzelle; eine Oxidationsgasversorgungsvorrichtung zur Zufuhr von Oxidationsgas zur Brennstoffzelle; eine Lastvorrichtung zum Verbrauchen von Leistung aus der Brennstoffzelle oder der Speichervorrichtung; und eine Steuervorrichtung zur Steuerung der Zufuhr von Brenngas und Oxidationsgas zur Brennstoffzelle und der Aktionen der Lastvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung die Zufuhr von Brenngas zur Brennstoffzelle durch die Brenngasversorgungsvorrichtung, die Zufuhr von Oxidationsgas zur Brennstoffzelle durch die Oxidationsgasversorgungsvorrichtung und die Aktionen der Lastvorrichtung in einem stabilen Zustand hält, die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle unter Benutzung der Leistungsermittlungsvorrichtung feststellt, und die Wechselstromimpedanz unter Benutzung der Wechselstromimpedanzmeßvorrichtung mißt, wenn die festgestellte Ausgangsleistung stabil ist.
  10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, weiter umfassend eine mit der Brennstoffzelle elektrisch verbundene Speichervorrichtung, und eine Leistungssteuervorrichtung zur Steuerung der Leistungsübertragung zwischen der Brennstoffzelle und der Speichervorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung so gestaltet ist, daß sie geeignet ist, die Leistungsübertragung zu und von der Speichervorrichtung zu steuern, und daß, wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle stabil ist, die Steuervorrichtung (a) die Leistungssteuervorrichtung steuert, um einen Leistungsüberschuß auf die Speichervorrichtung zu laden, wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle ein Übermaß aufweist, und (b) die Leistungssteuervorrichtung steuert, um die Speichervorrichtung zu veranlassen, ein Leistungsdefizit auszugleichen, wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle defizitär ist.
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