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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen umfassendes
Brennstoffzellensystem und ein Betriebsverfahren für ein solches
Brennstoffzellensystem.
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Stand der Technik
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Eine
feste Polymermembran, die in feuchtem Zustand Protonenleitfähigkeit
aufweist, ist im allgemeinen auf Elektrolytschichten aufgebracht,
die in Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen
eingeschlossen sind. Es ist somit wesentlich, daß die festen Polymermembranen
für eine
gleichförmige
Leistungserzeugung in einem ausreichend feuchten Zustand gehalten
werden. Im Verlauf der Leistungserzeugung wird an den Kathoden der
Brennstoffzellen Wasser erzeugt. Einer übermäßige Wassererzeugung oder eine
unterbrochene Ableitung des erzeugten Wassers kann eine Überflutung
bewirken und zu einer unzureichenden Versorgung eines Kathodenkatalysators
mit einem Gas führen.
Herkömmlich
wird eine Steuerung durchgeführt,
um den Wassergehalt in der Elektrolytschicht, dem Katalysator und
ihrer Umgebung auf einem geeigneten Niveau zu halten. Ein bekanntes
Steuerverfahren für
den Wassergehalt bestimmt den Feuchtigkeitszustand der Elektrolytschicht
auf der Basis von Veränderungen
der Ausgangsspannung jeder Zelleneinheit als einer Baueinheit der
Brennstoffzellen. Eine übermäßige Hydration der
Elektrolytschicht wird ansprechend auf eine große Veränderung der Ausgangsspannung
festgestellt.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Zum
Zeitpunkt der Feststellung der großen Veränderung der Ausgangsspannung
ist der Zustand der übermäßigen Hydration
in der festen Polymermembran jedoch schon in einem Ausmaß vorangekommen,
daß eine
Minderung des Wirkungsgrads der Leistungserzeugung eintritt. Der
festgestellte Zustand der übermäßigen Hydration
wird dadurch beseitigt, daß der
Gasdurchfluß,
das Ausmaß der
Befeuchtung und der Gasdruck geregelt werden. Eine schnellere Feststellung
des Zustands der übermäßigen Hydration
wäre erforderlich,
um den günstigsten Leistungserzeugungszustand
der Brennstoffzellen zu erhalten.
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Es
besteht somit ein Bedürfnis
zur Ermöglichung
einer schnelleren Erkennung eines Zustands der übermäßigen Hydration innerhalb der
Brennstoffzellen.
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Um
diese Forderung und andere damit verbundene Forderungen zumindest
teilweise zu erfüllen,
betrifft die Erfindung ein mit Polymer-Elektrolyt-Membranen ausgestattetes
Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem umfaßt: einen
Generator für
eine Wechselstromkomponente, der derart gestaltet ist, daß er einen
Wechselstrom mit fester Frequenz und fester Amplitude auf die Brennstoffzellen überträgt; ein
Modul zur Erfassung der Wechselspannung, das so gestaltet ist, daß es eine
Wechselstromkomponente, die der Übertragung
des Wechselstroms von einer Ausgangsspannung auf eine spezielle
Zelleneinheit der Brennstoffzellen beigefügt ist, entnommen, und in zeitlicher
Folge einen Spannungswert der entnommenen Wechselstromkomponente
erhält;
ein Modul zur Überwachung
des Feuchtigkeitszustands, das so gestaltet ist, daß es erkennt, ob
die Brennstoffzellen eine Befeuchtungstendenz aufweisen; und ein
Modul zur Erkennung einer übermäßigen Hydration,
das so gestaltet ist, daß im
Falle einer Erkennung der Befeuchtungstendenz der Brennstoffzellen
durch das Modul zur Überwachung des
Feuchtigkeitszustands, erkannt wird, ob sich die Brennstoffzellen
im Zustand der übermäßigen Hydration
befinden.
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Beim
Brennstoffzellensystem nach einem Aspekt der Erfindung ist der Zustand
der übermäßigen Hydration
schnell feststellbar im Falle der Erkennung des Befeuchtungszustands
der Brennstoffzellen.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Brennstoffzellensystem
beschränkt,
sondern kann durch verschiedene andere Anwendungen aktualisiert
werden, beispielsweise durch ein Verfahren zur Feststellung einer übermäßigen Hydration
im Brennstoffzellensystem und einen sich bewegenden Körper, der
mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockschaltbild, das schematisch die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung darstellt;
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2 ist
ein schematischer Querschnitt, der die Struktur einer Zelleneinheit
zeigt;
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3 zeigt die zeitliche Änderung der Spannung in Bennstoffzellen;
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4 ist
ein Ablaufdiagramm einer Routine zur Feststellung einer Überflutung;
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5 zeigt Veränderungen der beobachteten
Spannung und eines berechneten Widerstandswerts mit einer allmählichen
Veränderung
des internen Zustands der Brennstoffzellen in einen zur Überflutung
neigenden Zustand;
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6 ist
ein Ablaufdiagramm, das einen abgewandelten Verlauf der Routine
zur Feststellung einer Überflutung
zeigt;
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7 ist
ein Ablaufdiagramm, das einen weiteren abgewandelten Verlauf der
Routine zur Feststellung einer Überflutung
zeigt; und
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8 zeigt
eine Frequenzverteilung einer vorgegebenen Zahl durchschnittlicher
Widerstandswerte.
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BESTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Einige
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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A. Allgemeine Systemgestaltung
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Die 1 ist
ein Blockschaltbild, das schematisch die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung darstellt. Das Brennstoffzellensystem 10 schließt Brennstoffzellen 20,
einen Brenngasversorger 30 und einen Oxidationsgasversorger 40 ein.
Das Brennstoffzellensystem 10 besitzt auch eine Spannungsermittlungsanordnung 50,
einen Wechselstromgenerator 52 und eine Steuerung 54 zur Überwachung
des Feuchtigkeitszustands der Brennstoffzellen 20.
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Die
Brennstoffzellen 20 sind Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen.
Die 2 ist ein Querschnitt der schematisch die Struktur
einer Zelleneinheit 21 als einer Grundeinheit der Brennstoffzellen 20 zeigt. Die
Zelleneinheit 21 schließt eine Elektrolytmembran 22,
eine Anode 23, eine Kathode 24, ein Paar von Gasdiffusionsschichten 25 und 26 und
ein Paar von Separatoren 27 und 28 ein.
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Die
Elektrolyt-Membran 22 ist eine protonenleitende, aus einem
festen Polymermaterial, beispielsweise einem Fluorharz, gefertigte
Ionenaustauschmembran und besitzt in feuchtem Zustand eine gute
elektrische Leitfähigkeit.
Die Anode 23 und die Kathode 24 sind auf voneinander
abgewandten Seiten der Elektrolytmembran 22 ausgebildet
und enthalten jeweils einen Metallkatalysator (beispielsweise Platin)
zur Beschleunigung der elektrochemischen Reaktion, einen protonenleitenden
Elektrolyt und elektrisch leitfähige
Kohlenstoffteilchen. Die Gasdiffusionsschichten 25 und 26 bestehen
aus einem Gaspermeabilität
und Elektronenleitfähigkeit aufweisenden
Material, beispielsweise einem metallischen Material, wie geschäumtes Metall
oder vermaschtes Metall, oder ein Kohlenstoffmaterial, wie eine
Kohlenstoffmatte oder ein Kohlenstoffpapier. Die Separatoren 27 und 28 bestehen
aus gasundurchlässigem,
leitendem Material, beispielsweise einem Kohlenstoffmaterial, wie
gasundurchlässigem,
dichten Kohlenstoff, der durch Verdichtung von Kohlenstoffpulver
erhalten wird, oder metallischem Material, wie rostfreier Preßstahl.
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Die
Separatoren 27 und 28 haben gemusterte, eingekerbte
Oberflächen,
um Gaskanäle
in der Zelleneinheit 21 zuzulassen. Der Separator 27 und die
benachbarte Gasdiffusionsschicht 26 definieren im Inneren
der Zelleneinheit einen Gasströmungspfad 27a für den Durchtritt
eines Wasserstoff enthaltenden Brenngases. Der Separator 28 und
die benachbarte Gasdiffusionsschicht 26 definieren im Inneren
der Zelleneinheit einen Gasströmungspfad 28a für den Durchtritt
eines Sauerstoff enthaltenden Oxidationsgases. Nicht gezeigte Mehrfach-Gasverteiler
für den
Durchtritt des Brenngases oder des Oxidationsgases sind am Umfang
der Zelleneinheiten 21 parallel zur Schichtungsrichtung
der Zelleneinheiten 21 angeordnet. Das Brenngas wird durch
einen Mehrfach-Brenngasverteiler unter diesen Mehrfach-Gasverteilern
eingeleitet, auf die entsprechenden Zelleneinheiten 21 verteilt,
fließt
durch die entsprechenden internen Brenngasströmungspfade 27a der
Zelleneinheiten 21, wird dabei der elektrochemischen Reaktion
ausgesetzt und wird wieder vereinigt, um durch einen Brenngasauslaßsammler
abgeführt zu
werden. In ähnlicher
Weise wird das Oxidationsgas in einen Mehrfach-Oxidationsgasverteiler
eingeleitet, auf die entsprechenden Zelleneinheiten 21 verteilt,
fließt
durch die entsprechenden internen Oxidationsgasströmungspfade 28a der
Zelleneinheiten 21, wird dabei der elektrochemischen Reaktion
ausgesetzt und wird wieder vereinigt, um durch einen Oxidationsgasauslaßsammler
abgeführt
zu werden.
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Eine
Anzahl von Zelleneinheiten 21 ist geschichtet, um einen
Stapel von Brennstoffzellen 20 zu bilden. Im Stapel der
Brennstoffzellen 20 ist zwischen benachbarten Zelleneinheiten
oder in Intervallen der Schichtstruktur jeder vorgegebenen Anzahl von
Zelleneinheiten ein (nicht gezeigter) Kühlmittelströmungspfad ausgebildet, um die
Innentemperatur der Stapelstruktur zu regeln. Der Kühlmittelströmungspfad
kann beispielsweise zwischen dem Separator 27 einer Zelleneinheit
und dem Separator 28 der anderen Zelleneinheit eines Paars
benachbarter Zelleneinheiten vorgesehen sein.
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Die
Brennstoffzellen 20 besitzen auch ein Paar von Leistungssammlern 60 und 61 an
beiden Enden der Stapelstruktur. Die Leistungssammler 60 und 61 sind
jeweils mit Leitungen 62 bzw. 63 verbunden. Elektrische
Leistung wird von den Brennstoffzellen 20 über die
Leitungen 62 und 63 einer Last 64 zugeführt. Die
Leistungssammler 60 und 61 sind auch jeweils mit
Leitungen 65 und 66 verbunden, die an den Wechselstromgenerator 52 angeschlossen
sind. Der Wechselstromgenerator 52 erzeugt einen Wechselstrom
mit fester Frequenz und fester Amplitude. Durch den Wechselstromgenerator 52 wird
ein schwacher Hochfrequenz-Wechselstrom zwischen den Leistungssammlern 60 und 61 erzeugt.
Die Erzeugung des Wechselstroms durch den Wechselstromgenerator 52 zielt,
wie später
näher im
Detail erläutert,
auch darauf ab, einen Widerstandswert (Impedanz) der Zelleneinheit 21 im
Stapel der Brennstoffzellen 20 zu erhalten.
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Im
Stapel der Brennstoffzellen 20 ist für eine spezielle, aus der Zahl
der Zelleneinheiten 21 ausgewählte Zelleneinheit die Spannungsermittlungsanordnung 50 vorgesehen.
Die Spannungsermittlungsanordnung 50 schließt einen
Spannungssensor 70, eine Filtereinheit 71 und
einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 72 ein. Der Spannungssensor 70 ist mit
der speziellen Zelleneinheit über
Leitungen 73 und 74 verbunden, um die Spannung
der speziellen Zelleneinheit zu messen. Die Leitungen 73 und 74 sind
auch mit der Filtereinheit 71 verbunden, um eine Wechselstromkomponente
durch Löschung
einer Gleichstromkomponente der Spannung zu gewinnen und mit dem
Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 72 ein Signal zu digitalisieren,
das die durch die Filtereinheit 71 gewonnene Wechselstromkomponente der
Spannung repräsentiert.
Die Spannungsermittlungsanordnung 50 wird benutzt, um die
Spannung der speziellen Zelleneinheit zu messen und, wie später beschrieben,
den Feuchtigkeitsgehalt in der speziellen Zelleneinheit zu überwachen.
Die spezielle Zelleneinheit, die als das Meßobjekt der Spannungsermittlungsanordnung 50 festgelegt
ist, ist vorzugsweise eine Zelleneinheit, die innerhalb des Stapels zur Überflutung
neigt, beispielsweise eine Zelleneinheit, die sich am Ende des Stapels
befindet und von der erwartet wird, daß sie eine relativ niedrige
Temperatur aufweist.
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Die
durch den Spannungssensor 70 gemessene Spannung ist die
Summe einer durch die Leistungserzeugung der Brennstoffzellen 20 erzeugten Ausgangsspannung
und einer Spannung, die der Erzeugung des Wechselstroms durch den
Wechselstromgenerator 52 zugefügt ist. Die 3 zeigt
den zeitlichen Verlauf der Spannungen in der speziellen Zelleneinheit
der Brennstoffzellen 20. Die 3(A) zeigt
einen zeitlichen Verlauf einer konstanten Ausgangsspannung oder
Gleichstromspannung, die durch die Leistungserzeugung der Brennstoffzellen 20 erzeugt
wird. Die 3(B) zeigt einen zeitlichen Verlauf
einer Wechselspannung, die der Erzeugung des Wechselstroms durch
den Wechselstromgenerator 52 zugefügt ist. Die 3(C) zeigt einen zeitlichen Verlauf der durch
den Spannungssensor 70 gemessenen Spannung. Der Spannungssensor 70 ermittelt
eine Überlagerungsspannung
aus der Gleichspannung der 3(A) und
der Wechselspannung der 3(B).
Die Ausgangsspannung der Brennstoffzellen 20 ändert sich
aktuell mit der Zeit, ansprechend auf eine Änderung der Last oder eine Änderung
der Temperatur der Brennstoffzellen 20. Die kombinierte
Funktion von Filtereinheit 71 und Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 72 eliminiert
die in 3(A) gezeigte Spannung (Gleichstromkomponente)
aus der beobachteten Spannung nach 3(C),
um die in 3(B) gezeigte Spannung auszugeben.
Wie später
beschrieben, zielt die Erzeugung des Wechselstroms durch den Wechselstromgenerator 52 darauf
ab, den Feuchtigkeitszustand in der Zelleneinheit auf der Basis
der Wechselstromkomponente der Spannung zu überwachen. Die Amplitude und
die Frequenz des zwischen den Leistungssammlern 60 und 61 auftretenden
Wechselstroms sind gemäß der Ablesegenauigkeit
der Wechselstromspannung und der Größe des Widerstands in der Zelleneinheit
passend eingestellt.
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Der
Wechselstromgenerator 52 ist nicht zwingend erforderlich,
sondern kann durch eine Wechselspannungsquelle ersetzt werden, die
zwischen den Leistungssammlern 60 und 61 der Brennstoffzellen 20 anstelle
eines Wechselstroms eine Wechselspannung erzeugt. Bei dieser modifizierten Konstruktion
ist ein Stromsensor mit der speziellen Zelleneinheit verbunden.
Der Feuchtigkeitszustand der speziellen Zelleneinheit wird auf der
Basis der Summe eines elektrischen Stroms überwacht, der durch die Leistungserzeugung
der Brennstoffzellen 20 und einen elektrischen Strom erzeugt
wird, der der Erzeugung der Wechselspannung durch die Wechselspannungsquelle
hinzugefügt
wird.
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Der
Brenngasversorger 30 besitzt eine Brenngasquelle 32 und
eine Brenngasleitung 34, um das Wasserstoff enthaltende
Brenngas den entsprechenden, in den Brennstoffzellen 20 ausgebildeten Brenngasströmungspfaden 27a im
Inneren der Zelleneinheit zuzuführen.
Beim Brennstoffzellensystem 10 der Ausführungsform ist das Brenngas
Wasserstoffgas und die Brenngasquelle 32 ein Wasserstofftank.
Der Wasserstofftank kann durch einen Wasserstoffbehälter ersetzt
werden, der eine Wasserstoff absorbierende Legierung enthält und von
der Wasserstoff absorbierenden Legierung absorbierten Wasserstoff
speichert. Das Brenngas kann alternativ ein Reformgas sein und die
Brenngasquelle 32 kann eine Vorrichtung zur Erzeugung eines
wasserstoffreichen Reformgases aus einem Kohlenwasserstoff oder
einem anderen geeigneten Brennstoff sein. Die Brenngasleitung 34 ist
mit einem Drucksensor 35 ausgestattet und mit einem Druckregler 35 zur
Regelung des Drucks des von der Brenngasquelle zugeführten Brenngases.
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Der
Oxidationsgasversorger 40 besitzt ein Gebläse 42 und
eine Oxidationsgasleitung 44 um die Luft als Oxidationsgas
den entsprechenden, in den Brennstoffzellen 20 ausgebildeten
Brenngasströmungspfaden 28a im
Inneren der Zelleneinheit zuzuführen.
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Die
Steuerung 54 ist als logische Schaltung auf Mikrocomputerbasis
und schließt
eine CPU 55 ein, die derart gestaltet ist, daß sie verschiedene
Aktionen gemäß einem
voreingestellten Steuerprogramm ausführt, ein ROM 56, das
so gestaltet ist, daß es
verschiedene Steuerdaten und die Steuerprogramme für die verschiedenen
Aktionen durch die CPU 55 speichert, ein RAM 57,
das so gestaltet ist, daß es
zeitweilig verschiedene der für
die Ausführung
der Aktionen durch die CPU 55 erforderlichen Daten speichert,
und eine Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle 58, die so gestaltet
ist, daß sie
die Eingabe und Ausgabe verschiedener Signale ermöglicht.
Die Steuerung 54 gibt ein Meßsignal des Spannungssensors 70 ein
und ein Ausgangssignal des Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlers 72, und
gibt Betriebssignale in die entsprechenden Funktionseinheiten (beispielsweise
den Wechselstromgenerator 52) aus, die in die Überwachung
des Feuchtigkeitszustands in den Brennstoffzellen 20 eingebunden
sind, und an die entsprechenden Funktionseinheiten (beispielsweise
das Gebläse 42 und
den Druckregler 33) die in die Leistungserzeugung der Brennstoffzellen 20 eingebunden
sind.
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B. Überflutungsfeststellung
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Die 4 ist
ein Ablaufdiagramm, das eine Routine zur Feststellung einer Überflutung
zeigt, die zur Überwachung
des Feuchtigkeitszustands innerhalb der Brennstoffzellen 20 ausgeführt wird,
und spezieller zur Feststellung, ob der interne Zustand der Brennstoffzellen
zur Überflutung
neigt. Diese Routine wird durch die CPU 55 der Steuerung 54 in voreingestellten
Zeitintervallen parallel zu allgemeinen Steuerungsaktionen zur Leistungserzeugung (wie
beispielsweise die Steuerung der Versorgungsbedingungen für das Brenngas
und das Oxidationsgas, sowie die Temperatursteuerung der Brennstoffzellen 20)
ausgeführt.
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Beim
Start der Routine zur Überflutungsfeststellung
erhält
die CPU 55 zunächst
eine Wechselstromkomponente einer überwachten, an einer speziellen,
als Meßobjekt
der Spannungsermittlungsanordnung 50 dienenden Zelleneinheit
anliegenden Spannung (Schritt S100). Die Steuerung 54 arbeitet in
Kombination mit der Filtereinheit 71 und dem Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 72 als
erfindungsgemäßes Wechselspannungserfassungsmodul,
um in zeitlicher Abfolge Spannungswerte der Wechselstromkomponente
zu erhalten. Die Filtereinheit 71 und der Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 72 entnehmen
die dem erzeugten Wechselstrom zugefügte Wechselstromkomponente
der in der speziellen Zelleneinheit der Brennstoffzellen 20 beobachteten
Ausgangsspannung. Die Steuerung 54 erhält dann den Spannungswert der
entnommenen Wechselstromkomponente. Die Steuerung 54 empfängt ein
sequentiell vom Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 72 ausgesandtes
Signal und stellt dadurch sequentiell den Spannungswert der Wechselstromkomponente
fest (das heißt,
die Amplitude der Wechselspannung). Die Steuerung 54 speichert
den sequentiell festgestellten Spannungswert in einem voreingestellten
Speicher und aktualisiert aufeinanderfolgend die im Speicher gespeicherte
Spannung ansprechend auf jede Feststellung, um den jeweils letzten
Spannungswert festzuhalten. Beim Schritt S100 erhält die CPU 55 den
bei einem speziellen Zeitintervall im Speicher gespeicherten letzten
Spannungswert und benutzt den erhaltenen Spannungswert für die nachfolgende
Reihe von Verfahrensschritten. Das spezielle Zeitintervall sollte
ausreichend kurz sein, um eine durch Überflutung verursachte Spannungsänderung
zu erfassen, kann aber, wie später
noch beschrieben, beliebig einer Bedingung der statistischen Funktion
des erhaltenen Spannungswerts entsprechend eingestellt werden.
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Die
CPU 55 teilt den erhaltenen Spannungswert durch den Wert
des vom Wechselstromgenerator 52 erzeugten elektrischen
Stroms, um in zeitlicher Aufeinanderfolge einen Widerstandswert
der Zelleneinheit oder Zellenwiderstandswert zum Zeitpunkt, an dem
der Spannungswert der Wechselstromkomponente erhalten wird (Schritt
Silo). Das Verfahren dieser Ausführungsform
benutzt den hochfrequenten Wechselstrom, entnimmt aber nur die Amplitude
der Wechselspannung für
die Berechnung des Widerstandswerts aus dieser Amplitude und den
Wert des erzeugten elektrischen Stroms.
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Nach
der Berechung des Widerstandswertes führt die CPU 55 ein
Verfahren zur Durchschnittsberechnung in Bezug auf den in zeitlicher
Aufeinanderfolge berechneten Widerstandswert durch (Schritt S120).
Das Verfahren zur Durchschnittsberechnung berechnet einen Durchschnitt
der aus einer rückgreifend
vom zuletzt gemessenen Spannungswert vorgegebenen Anzahl von Spannungswerten
(beispielsweise „i" Spannungswerte)
berechneten Widerstandswerten. Beim Schritt S120 eines n-ten Zyklus dieser
Routine nach ihrer Aktivierung berechnet die CPU 55 einen
Durchschnitt von Widerstandswerten, die vom (n – i + 1)-ten bis zum n-ten
Zyklus berechnet wurden. Die Verfahrensweise des Schritts S120 verschiebt
aufeinanderfolgend den Bereich der Widerstandswerte, als den Gegenstand
der Berechnung, um einen, um ansprechend auf jede Berechnung des Widerstandswerts
beim Schritt S110 den zuletzt ermittelten Widerstandswert einzuschließen. In
der Beschreibung bezeichnet nachfolgend R(n) den Durchschnitt des
Widerstandswerts (durchschnittlicher Widerstandswert), der beim
Schritt S120 nach der Aktivierung n-ten Zyklus dieser Routine berechnet
wird. Das beim Schritt S120 durchgeführte Verfahren zur Berechnung
des Durchschnitts (Mittelwerts) folgt der Absicht, ein in dem als
Basis für
die Berechnung des Widerstandswerts beobachteten Spannungswert eingeschlossenes
Rauschen zu eliminieren und die aktuelle allgemeine Tendenz des
Widerstandswerts anzuzeigen. Die Anzahl der Proben „i" des für das Verfahren
zur Ermittlung des Durchschnitts benutzten Widerstandswerts kann
beliebig in einem zulässigen Bereich
zum Erreichen dieses Zwecks eingestellt werden.
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Die
CPU 55 vergleicht dann den beim Schritt S120 berechneten
letzten Widerstandsdurchschnittswert R(n) mit einem vorgegebenen
Bezugswert A (Schritt S130). Der für den Vergleich beim Schritt S130
benutzte Bezugswert A wird vorab als ein Wert zur Erkennung der
Befeuchtungstendenz der speziellen Zelleneinheit eingestellt und
in der Steuerung 54 gespeichert. Wenn der durchschnittliche
Widerstandswert R(n) nicht kleiner ist als der voreingestellte Bezugswert
A, wird festgestellt, daß die
spezielle Zelleneinheit die Befeuchtungstendenz aufweist. Und zwar
wird beim Schritt S130 festgestellt, ob die spezielle Zelleneinheit
als Objekt der Spannungsmessung eine Befeuchtungstendenz aufweist
(zur Überflutung
neigt). Die Steuerung 54 fungiert demgemäß als erfindungsgemäßes Überwachungsmodul für den Feuchtigkeitszustand
zur Feststellung, ob die Brennstoffzellen eine Befeuchtungstendenz
aufweisen.
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Der
Widerstand in der Zelleneinheit schließt Kontaktwiderstände zwischen
den entsprechenden Bestandteilen der Zelleneinheit (der Elektrolytmembran 22,
der Anode 23, der Kathode 24, den Gasdiffusionsschichten 25 und 26,
sowie den Separatoren 27 und 28) ein und interne
Widerstände
der entsprechenden Bestandteile, insbesondere einen Membranwiderstand
der Elektrolytmembran 22 und interne Widerstände der
Separatoren 27 und 28. Unter diesen Widerständen verändert sich
der Membranwiderstand signifikant entsprechend den Betriebsbedingungen
der Brennstoffzelle 20 (beispielsweise dem Gasdurchfluß, dem Ausmaß der Befeuchtung
und der Temperatur). Die Größe des Widerstands
in der Zelleneinheit während
der Leistungserzeugung der Brennstoffzellen 20 zeigt den
Feuchtigkeitszustand der Elektrolytmembran 22 und damit
den Feuchtigkeitszustand der Zelleneinheit an. Im Allgemeinen senkt
der ausreichend feuchte Zustand der Elektrolytmembran deren Widerstand
und den Gesamtwiderstand der Zelleneinheit. Andererseits erhöht der relativ
trockene Zustand der Elektrolytmembran 22 den Membranwiderstand
und den Gesamtwiderstand in der Zelleneinheit. Der Vergleich zwischen
dem durchschnittlichen Widerstandswert R(n) nach der Unterdrückung des
Rauschens durch das Verfahren zur Durchschnittsberechnung und der
vorgegebene Bezugswert A beim Schritt S130 stellen fest, ob die spezielle
Zelleneinheit die Befeuchtungstendenz aufweist, die auf der vorgegebenen
allgemeinen Tendenz des Widerstandswerts basiert.
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Wenn
beim Schritt S130 der durchschnittliche Widerstandswert R(n) kleiner
ist als der vorgegebene Bezugswert A, wird festgestellt, daß die spezielle
Zelleneinheit die Befeuchtungstendenz aufweist. Die CPU 55 berechnet
nachfolgend eine Standardabweichung des durchschnittlichen Widerstandswerts
R(n) (Schritt S140). Die Standardabweichung wird aus einer vorgegebenen
Anzahl von durchschnittlichen Widerstandswerten (beispielsweise „j" durchschnittlichen
Widerstandswerten) berechnet, die rückgreifend aus den letzten
durchschnittlichen Widerstandswerten (R(n) erhalten werden, und
zwar berechnet die CPU 55 die Standardabweichung der durchschnittlichen
Widerstandswerte R(n – j
+ 1) bis R(n). Das Verfahren nach Schritt S140 verschiebt aufeinanderfolgend
den Bereich des durchschnittlichen Widerstandswerts als das Objekt
der Berechnung der Standardabweichung um eins, um bei jeder Durchführung des
Schritts S140 den zuletzt ermittelten Durchschnittswert mit einzuschließen. In
der folgenden Beschreibung bezeichnet σR(n) die Standardabweichung
des beim n-ten Zyklus dieser Routine nach ihrer Aktivierung berechneten,
durchschnittlichen Widerstandswerts. Die Anzahl der Proben „j" des durchschnittlichen
Widerstandswerts, die bei der Berechnung des Durchschnittswerts
benutzt wird, kann beliebig eingestellt werden, solang die beim Schritt
S140 berechnete Standardabweichung des durchschnittlichen Widerstandswerts
den Grad der Änderung
des durchschnittlichen Widerstandswerts zu diesem Zeitpunkt repräsentiert.
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Die
CPU 55 vergleicht anschließend die beim Schritt S140
berechnete Standardabweichung σR(n)
mit einem vorgegebenen Bezugswert B (Schritt S150). Der für den Vergleich
beim Schritt S150 benutzte Bezugswert B wird vorab als ein Wert zur
Anzeige eines instabilen Leistungserzeugungszustands der Zelleneinheit
eingestellt und in der Steuerung 54 gespeichert. Wenn die
Standardabweichung σR(n)
nicht kleiner als der voreingestellte Bezugswert B ist, wird festgestellt,
daß die
Zelleneinheit sich im Zustand mit instabiler Leistungserzeugung befindet.
Der Bezugswert B kann beliebig eingestellt werden entsprechend der
Probenanzahl „j" des durchschnittlichen
Widerstandswerts, der Probenanzahl „i" der Widerstandswerte, die für das Verfahren zur
Durchschnittsberechnung benutzt werden, und dem Zeitintervall zur
Gewinnung des Spannungswerts beim Schritt S100.
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Wenn
beim Schritt S150 die Standardabweichung σR(n) kleiner ist als der voreingestellte
Bezugswert B, setzt die CPU 55 ein Flag zur Durchführung einer
Gegenmaßnahme
gegen Überflutung
auf 0 und beendet diese Routine. Wenn andererseits beim Schritt
S150 die Standardabweichung σR(n) nicht
kleiner ist als der voreingestellte Bezugswert B, stellt die CPU 55 das
Flag zur Durchführung
einer Gegenmaßnahme
gegen Überflutung
auf 1 (Schritt S170) und beendet diese Routine.
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Wie
vorstehend erläutert,
wird beim ausreichend kleinen Widerstandswert der Brennstoffzelle 20 (wenn
der durchschnittliche Widerstandswert R(n) kleiner ist als der beim
Schritt S130 im Ablaufdiagramm der 4 voreingestellte
Bezugswert A), von der Elektrolytmembran 22 erkannt, daß sie sich
in einem ausreichend feuchten Zustand befindet. Beim ausreichend
feuchten Zustand der Elektrolytmembran 22 wird, wenn die
ausreichend kleine Standardabweichung des durchschnittlichen Widerstandswerts
den Zustand einer stabilen Leistungserzeugung für die Brennstoffzelle 20 anzeigt,
festgestellt, daß die
Brennstoffzellen 20 im gewünschten Zustand sind, in dem
sie eine ebenmäßige Gasströmung sicherstellen
und nur geringes Potential zur Überflutung
besitzen. Andererseits wird beim ausreichend feuchten Zustand der
Elektrolytmembran 22 mit den instabilen Zustand der Leistungserzeugung
der Brennstoffzellen 20 anzeigender. relativ großer Standardabweichung
des durchschnittlichen Widerstandswerts festgestellt, daß sich die
Brennstoffzellen 20 in einem Zustand übermäßiger Flüssigkeitsaufnahme (Hydration)
befinden, in dem sie eine hohe Neigung zur Überflutung besitzen. Dabei
dient die Steuerung 54 als erfindungsgemäßes Modul
zur Feststellung einer übermäßigen Hydration,
um einen Zustand der übermäßigen Hydration
zu entdecken, wenn die Standardabweichung des durchschnittlichen
Widerstandswerts den vorgegebenen Bezugswert nach dem Erkennen der
Befeuchtungstendenz der Brennstoffzellen überschreitet.
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Wie
oben beschrieben, steuert die Steuerung 54 die Aktionen
der entsprechenden Bauelemente des Brennstoffzellensystems 10.
Bei der Leistungserzeugung der Brennstoffzellen 20 empfängt die
Steuerung 54 eine Ladeanforderung (loading demand) der
Last 64 und steuert die Bedingungen für das Brenngas und das Oxidationsgas,
die den Brennstoffzellen zugeführt
werden, beispielsweise die Gasdurchflüsse und Gasdrücke, um
die Erzeugung elektrischer Leistung entsprechend der Ladeanforderung zu
ermöglichen.
Ansprechend auf die Einstellung des Flags zur Durchführung einer
Gegenmaßnahme
gegen Überflutung
auf „1" beim Schritt S170
während der
Leistungserzeugung der Brennstoffzellen 20 ändert die
Steuerung 54 die Steuerbedingungen von den auf der Ladeanforderung
basierenden Standardbedingungen zu den Bedingungen zur Verhinderung der Überflutung.
Wenn der Wasserdampfdruck des Gases nicht den Druck des gesättigten
Dampfes erreicht, verhindert die Zunahme der Gesamtmenge des Gases
das Auftreten einer Überflutung.
Hinsichtlich des Oxidationsgases steuert die Steuerung 54 in entsprechender
Weise das Gebläse 42,
um den Durchfluß des
Oxidationsgases und den Druck des Oxidationsgases vom Standardzustand
aus auf der Basis der Ladeanforderung zu erhöhen.
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In
der Brenngasleitung 34 und/oder der Oxidationsgasleitung,
die mit einem Befeuchter zur Befeuchtung des Gases ausgestattet
sind, kann, ansprechend auf das Setzen des Flags zur Durchführung einer
Gegenmaßnahme
gegen Überflutung
auf „1", das Ausmaß der Befeuchtung
durch den Befeuchter gegenüber
dem Standardzustand abgesenkt werden. Eine andere modifizierte Steuerungsaktion
kann die interne Temperatur der Brennstoffzellen 20, ansprechend
auf das Setzen des Flags zur Durchführung einer Gegenmaßnahme gegen Überflutung
auf „1", erhöhen. Bei
der Konstruktion des Strömungswegs
für das
Kühlmittel,
das durch einen mit einem Kühlgebläse ausgestatteten
Kühler
innerhalb der Brennstoffzellen 20 strömt, kann der Betrieb des Kühlgebläses gestoppt
werden, um die interne Temperatur der Brennstoffzellen 20 anzuheben. Noch
eine weitere abgewandelte Steuerungsaktion kann die Einstellung
der Last 64 ändern,
um die Last 64 gegenüber
der Eingangsladeanforderung abzusenken (wenn die Last 64 ein
Motor ist, wird der Einstellwert der Antriebsgröße reduziert). Dies reduziert das
Ausmaß der
Leistungserzeugung und senkt die entstehende Wassermenge, wodurch
ein Fortschreiten der Überflutung
verhindert wird. Beim Setzen des Flags zur Durchführung einer
Gegenmaßnahme
gegen Überflutung
auf „0" erfordert der Steuerungsvorgang
keine solcher spezifischen Steueraktionen, sondern die auf der Ladeanforderung
basierende Standardbedingung.
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Wenn
beim Schritt S130 der durchschnittliche Widerstandswert R(n) nicht
kleiner ist als der vorgegebene Bezugswert A, wird festgestellt,
daß die Elektrolytmembran 22 sich
im relativ trockenen Zustand befindet und wenig Neigung zur Überflutung besitzt.
In diesem Falle setzt die CPU 55 beim Schritt S160 das
Flag zur Durchführung
einer Gegenmaßnahme
gegen Überflutung
auf „0" und beendet die Routine
zur Feststellung einer Überflutung.
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Beim
Brennstoffzellensystem 10 der oben beschrieben Ausführungsform
wird unter den Bedingungen eines niedrigen Zellenwiderstands (der durchschnittliche
Widerstandswert ist kleiner als der voreingestellte Bezugswert A),
des ausreichend feuchten Zustands der Elektrolytmembran 22 und
einer großen
Variationsbreite des durchschnittlichen Widerstandswerts, von den
Brennstoffzellen 20 festgestellt, daß sie sich in einem Zustand
der übermäßigen Hydration
befinden, in dem ein hohes Potential zur Überflutung besteht. Diese Anordnung
erlaubt eine schnelle Feststellung der Überflutung, um geeignete Gegenmaßnahmen
zur Verhinderung des Fortschreitens der Überflutung zu ergreifen..
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Die 5 zeigt Veränderungen der beobachteten
Spannung und der berechneten Widerstandswerte mit einer allmählichen
Veränderung
des internen Zustands der Brennstoffzellen 20 in Richtung
auf einen zur Überflutung
neigenden Zustand durch Änderung
der Gasversorgungsbedingungen der Brennstoffzellen 20 im
Brennstoffzellensystem 10 der Ausführungsform. Die Versuchsbedingungen sind
derart, daß die
Brennstoffzellen 20 mit der Last 64 einer konstanten
Größe verbunden
sind, den Anoden eine feste, für
die Größe der Last 64 ausreichende
Menge des Brenngases zugeführt
wird, der Durchfluß des
den Kathoden zugeführten
Oxidationsgases allmählich
in vorgegebenen Zeitintervallen gesenkt wird und der Wasserdampfdruck
des Oxidationsgases geringer ist als der Druck des gesättigten Dampfes.
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In
den 5(A) und 5(B) zeigt
die Kurve 1 eine zeitliche Änderung der Ausgangsspannung der
speziellen Zelleneinheit der Brennstoffzellen 20 (die durch
den Spannungssensor 70 gemessene Ausgangsspannung). Die
vom Spannungssensor 70 gemessene Spannung ist die Summe
der durch die Leistungserzeugung der Brennstoffzellen 20 erzeugten
Gleichstromausgangsspannung, hinzugefügt zu dem durch den Wechselstromgenerator 52 eingebrachten
Wechselstrom. Der eingebrachte Wechselstrom ist im extremen Ausmaß schwächer als
die auf die Last 64 ansprechende Ausgangsspannung. Die Kurve 1 repräsentiert
somit annähernd
die zeitliche Änderung
der auf die Last 64 ansprechenden Ausgangsspannung. Die
Kurve 1 in den 5(A) und 5(B) zeigt die zu jeder Sekunde gemessene zeitliche Änderung
der Ausgangsspannung.
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Eine
Kurve 2 in 5(A) zeigt
eine zeitliche Änderung
des beim Schritt S110 aus dem Spannungswert der beim Schritt S100
im Ablaufdiagramm der 4 erhaltenen Wechselstromkomponente
berechneten Widerstandswerts. Der Spannungswert der Wechselstromkomponente
wird zu jeder Sekunde beim Schritt S100 erhalten, so daß die Kurve 2 eine
zeitliche Änderung
des Widerstandswerts zu jeder Sekunde zeigt, die aus dem zu jeder
Sekunde erhaltenen Spannungswert berechnet ist. Eine Kurve 3 in 5(B) zeigt eine zeitliche Änderung des durchschnittlichen
Widerstandswerts R(n), die beim Schritt S120 im Ablaufdiagramm der 4 berechnet
wird. Die Probenanzahl „i" der Widerstandswerte
zur Berechnung des durchschnittlichen Widerstandswerts R(n) ist
16. In den 5(A) und 5(B) zeigt
eine Kurve 4 eine zeitliche Änderung der Abnahme des Durchflusses
des den Brennstoffzellen 20 zugeführten Oxidationsgases.
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Eine
allmähliche
Abnahme des Durchflusses des Oxidationsgases mit einem Wasserdampfdruck, der
niedriger ist als der Druck des gesättigten Dampfes, senkt die
Menge des verdampften, in das Oxidationsgas eintretenden Wassers
und erhöht
so allmählich
den Wassergehalt der Elektrolytmembran 22. Die Zunahme
des Wassergehalts der Elektrolytmembran 22 senkt allmählich den
durchschnittlichen Widerstandswert R, wie das durch die Kurve 3 in 5(B) dargestellt ist. Eine weitere Zunahme des
Wassergehalts der Elektrolytmembran 22 veranlaßt diese,
im Zustand übermäßiger Hydration
ein hohes Potential für
eine Überflutung
innerhalb der Brennstoffzellen 20 aufzuweisen und veranlaßt eine
größere Variationsbreite
des durchschnittlichen Widerstandswerts R. Es ist feststellbar,
ob die Elektrolytmembran 22 sich im Zustand übermäßiger Hydration
mit einem hohen Potential für
eine Überflutung
befindet, indem in angemessener Weise die Probenanzahl „j" des durchschnittlichen
Widerstandswerts R als Objekt der Berechnung der Standardabweichung
beim Schritt S140 eingestellt wird und der Bezugswert B beim Schritt
S150 im Ablaufdiagramm der
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4 für den Vergleich
benutzt wird. Die Probenanzahl „j" des durchschnittlichen Widerstandswerts
R als Gegenstand der Berechnung der Standardabweichung beträgt 60.
Wenn sich der durchschnittlicher Widerstandswert im Bereich F1 der 5(B) befindet, wird festgestellt, daß sich die Elektrolytmembran 22 im
Zustand übermäßiger Hydration
mit einem hohen Potential für Überflutung
befindet.
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Beim
Zustand übermäßiger Hydration
der Elektrolytmembran 22 besitzt die Ausgangsspannung der
Zelleneinheit allmählich
eine größere Variationsbreite.
Mit einem gewissen Voranschreiten der Überflutung sinkt der Spannungswert
markant ab (siehe Kurve 1). Die Überflutung kann somit ansprechend
auf eine solche erhöhte
Variationsbreite der Ausgangsspannung entdeckt werden. Ein signifikanter
Anstieg der Variationsbreite der Ausgangsspannung ist jedoch später zu beobachten
als ein signifikanter Anstieg der Variationsbreite des durchschnittlichen
Widerstandswerts R. Wie in 5(B) gezeigt, ist
der Zustand der übermäßigen Hydration
auf der Basis der erhöhten
Variationsbreite des durchschnittlichen Widerstandswerts R zu einem
Zeitpunkt erkennbar, der dem Bereich F1 entspricht, während er auf
der Basis der erhöhten
Variationsbreite der Ausgangsspannung zu einem späteren Zeitpunkt
wahrnehmbar ist, der dem Bereich F2 entspricht.
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Das
Verfahren zur Überwachung
des Feuchtigkeitszustands im Inneren der Brennstoffzellen auf der
Basis der Variationsbreite des durchschnittlichen Widerstandswerts
R in Bezug auf die Wechselstromkomponente, die der Einbringung des
hochfrequenten Wechselstroms hinzugefügt wird, ermöglicht die schnellere
Entdeckung des Zustands der übermäßigen Hydration
im Vergleich mit dem Verfahren der Überwachung des Feuchtigkeitszustands
auf der Basis der Änderung
der Ausgangsspannung zur Last. Das liegt daran, daß der übermäßige Wassergehalt innerhalb
der Brennstoffzellen eine Spannungsänderung in einem begrenzten
kleinen Bereich auf der Elektrolytmembran 22 verursacht,
selbst bevor das Fortschreiten der Überflutung ein Ausmaß annimmt, das
einen signifikanten Abfall oder eine signifikante Änderung
der Ausgangsspannung verursacht. Die Erzeugung von flüssigem Wasser
in dem begrenzten kleinen Bereich auf der Elektrolytmembran 2 verschlechtert
teilweise die Gasströmung
und beeinträchtigt
die ebenmäßige Leistungserzeugung.
Die teilweise nachteilige Einwirkung des erzeugten flüssigen Wassers
auf die Leistungserzeugung bewirkt, daß der elektrische Strom einen
Ort auf der einen Katalysator enthaltenden Elektrodenebene mit beeinträchtigter
Leistungserzeugung umgeht, was einen IR-Verlust zur Folge hat, während der
Wirkungsgrad der Leistungserzeugung durch die Konzentration des elektrischen
Stroms in einem unbeeinflußten
Bereich verschlechtert wird. Das führt zu einer Spannungsänderung
in dem begrenzen kleinen Bereich auf der Elektrolytmembran 22.
Es ist schwierig, eine solche, durch den örtlichen Verlauf des elektrischen
Stroms auf der Elektrodenoberfläche
verursachte Spannungsänderung
von der Gesamtausgangsspannung zur Last zu separieren. Das Verfahren
der Ausführungsform
bringt den schwachen, hochfrequenten Wechselstrom auf die Brennstoffzellen 20 auf
und entnimmt nur eine Wechselstromkomponente der Spannung, um die
Separation der Spannungsänderung
im begrenzten kleinen Bereich zu ermöglichen. Diese Anordnung ermöglicht die
schnellere Feststellung des Zustands der übermäßigen Hydration vor dem Fortschreiten
der Überflutung
zu einem Ausmaß,
das einen signifikanten Abfall oder eine signifikante Änderung
der Ausgangsspannung der Brennstoffzellen zur Last bewirkt, ohne
daß sie
durch eine Änderung
der Gesamtleistungserzeugung der Brennstoffzellen beeinflußt wird.
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C. Andere Aspekte
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Das
oben diskutierte Ausführungsbeispiel sollte
in allen Aspekten als erläuternd
und nicht restriktiv betrachtet werden. Es kann viele Modifikationen, Änderungen
und Abwandlungen erfahren, ohne vom Grundgedanken der Charakteristika
der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Einige Beispiele für mögliche Modifikationen
werden untern wiedergegeben.
- (1) Das Überflutungsermittlungsverfahren
des Ausführungsbeispiels
führt das
Verfahren zur Durchschnittsberechnung (Schritt S120) des berechneten
Zellenwiderstandswerts (Schritt S110) vor der Identifikation der
Befeuchtungstendenz der Zelleneinheit auf der Basis des berechneten Zellenwiderstandswerts
(Schritt S230) und der Feststellung des Potentials zur Überflutung (Schritt
S150) durch. Das Verfahren zur Durchschnittsberechnung ist nicht,
wie beim Ausführungsbeispiel,
auf die Berechnung des einfachen arithmetischen Durchschnitts beschränkt, sondern
es kann jedes andere Verfahren durchgeführt werden, um das in dem aus
dem beobachteten Spannungswert berechneten Zellenwiderstandswert
eingeschlossene Rauschen zu eliminieren. Beispielsweise, kann die
Berechnung des einfachen arithmetischen Durchschnitts durch die Berechnung
eines gewichteten Durchschnitts ersetzt werden, bei dem dem letzten
Zellenwiderstandswert mehr Gewicht beigemessen wird.
- (2) Das Überflutungsermittlungsverfahren
des Ausführungsbeispiels
vergleicht den durchschnittlichen Widerstandswert R mit dem vorgegebenen Vergleichswert
A beim Schritt S130, um festzustellen, ob die Zelleneinheit eine
Befeuchtungstendenz aufweist, die ein hohes Potential zur Überflutung
besitzt. Der Gegenstand des Vergleichs ist jedoch nicht auf den
durchschnittlichen Widerstandswert R beschränkt, sondern kann jeder andere
geeignete Faktor sein, der ein niedriges Niveau anzeigt, wenn sich
die Elektrolytmembran 22 im ausreichend feuchten Zustand
befindet. Die 6 zeigt einen modifizierten
Ablauf der Routine zur Ermittlung der Überflutung. Die gleichen Schritte
wie jene der Routine zur Ermittlung der Überflutung nach 4 werden
beim modifizierten Ablauf nach 6 mit den
gleichen Schrittnummern gekennzeichnet und hier nicht erläutert. Der
modifizierte Ablauf nach 6 führt anstelle des Schritts S130
des Ablaufdiagramms nach 4 das Verfahren mit den Schritten
S225 und S230 durch. Die CPU 55 berechnet beim Schritt
S225 einen Blockdurchschnitt MeanR(n) des durchschnittlichen Widerstandswerts
R. Der Blockdurchschnitt MeanR(n) repräsentiert einen Mittelwert einer
vorgegebenen Anzahl von durchschnittlichen Widerstandswerten (beispielsweise „j" durchschnittliche
Widerstandswerte), die rückgreifend
aus den durchschnittlichen Widerstandswerten R(n) erhalten werden
und durch die unten dargestellte Gleichung (1) ausgedrückt werden: MeanR(n) = R(n) + R(n – 1) + ... + R(n – j + 1)/j (1)
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Die
Verfahrensweise nach Schritt S225 verschiebt aufeinanderfolgend
den Bereich für
den durchschnittlichen Widerstandswert als Gegenstand der Berechnung
des Blockdurchschnitts MeanR(n) des durchschnittlichen Widerstandswerts
um eins, um bei jeder Durchführung
des Schritts S225 den letzten durchschnittlichen Widerstandswert
einzuschließen.
Solang der beim Schritt S225 berechnete Blockdurchschnitt MeanR(n)
das Niveau des durchschnittlichen Widerstandswerts für diesen
Augenblick repräsentiert,
kann die Probenanzahl „j" der durchschnittlichen
Widerstandswerte zur Berechnung des Blockdurchschnitts beliebig
festgesetzt werden. Die CPU 55 vergleicht dann den Blockdurchschnitt
MeanR(n) mit dem voreingestellten Bezugswert A und stellt in der
gleichen Weise wie beim Schritt S130 im Ablaufdiagramm fest, ob
die Zelleneinheit die Befeuchtungstendenz aufweist (Schritt S230).
Der Blockdurchschnitt MeanR(n) des durchschnittlichen Zellenwiderstandswerts
ist als Anzeige für
das Niveau des Widerstandswerts zur Identifizierung der Befeuchtungstendenz
der Zelleneinheit brauchbar.
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Die 7 ist
ein Ablaufdiagramm, das einen anderen modifizierten Ablauf der Routine
zur Ermittlung der Überflutung
zeigt. Die gleichen Schritte wie jene der Routine zur Ermittlung
der Überflutung
nach 4 werden beim modifizierten Ablauf nach 7 mit
den gleichen Schrittnummern gekennzeichnet und hier nicht erläutert. Der
modifizierte Ablauf nach 7 führt anstelle des Schritts S130
des Ablaufdiagrams in 4 die Verfahrensweise nach den
Schritten S325 und S330 aus. Die CPU 55 spezifiziert beim Schritt
S325 einen dem Blockbetrieb zugeordneten Wert ModeR(n) des durchschnittlichen
Widerstandswerts R. Der dem Blockbetrieb zugeordnete Wert ModeR(n)
repräsentiert
den am häufigsten
erscheinenden Wert bei einer Häufigkeitsverteilung
einer vorgegebenen Anzahl von durchschnittlichen Widerstandswerten
R, die rückgreifend
vom letzten durchschnittlichen Widerstandswert R(n) erhalten werden.
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8 zeigt
eine Häufigkeitsverteilung
einer vorgegebenen Anzahl von durchschnittlichen Widerstandswerten
R, die rückgreifend
vom letzten durchschnittlichen Widerstandswert R(n) erhalten werden. Das
Verfahren teilt eine numerische Abdeckung des durchschnittlichen
Widerstandswerts R in mehrere numerische Zonen und klassifiziert
die vorgegebene Anzahl durchschnittlicher Widerstandswerte in diese numerischen
Zonen. Das Verfahren zählt
dann die Anzahl (Häufigkeit)
der durchschnittlichen Widerstandswerte, die zu jeder numerischen
Zone gehören und
spezifiziert den Medianwert der numerischen Zone mit der größten Häufigkeit
als dem Blockbetrieb zugeordneten Wert ModeR(n).
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Die
Verfahrensweise beim Schritt S325 verschiebt aufeinanderfolgend
den Bereich des durchschnittlichen Widerstandswerts als Objekt der
Spezifizierung des dem Blockbetrieb zugeordneten Werts ModeR(n)
um eins, um den letzten durchschnittlichen Widerstandswert bei jeder
Ausführung
des Schritts S325 einzuschließen.
Solang der beim Schritt S325 spezifizierte, dem Blockbetrieb zugeordnete
Wert ModeR(n) das Niveau des durchschnittlichen Widerstandswerts
zu diesem Zeitpunkt repräsentieren kann,
kann die Probenanzahl des durchschnittlichen Widerstandswerts beliebig
eingestellt werden. Die CPU 55 vergleicht dann den dem
Blockbetrieb zugeordneten Wert ModeR(n) mit dem vorgegebenen Bezugswert
A und stellt fest, ob die Zelleneinheit die Befeuchtungstendenz
aufweist (Schritt S330) in der gleichen Weise wie beim Schritt S130
beim Ablaufdiagramm in 4. Der dem Blockbetrieb zugeordnete Wert
ModeR(n) des durchschnittlichen Zellenwiderstandswerts ist verwendbar
als Anzeige des Niveaus des Widerstandswerts, um die Befeuchtungstendenz der
Zelleneinheit festzustellen.
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Das
Verfahren zur Feststellung der Überflutung
nach dem Ausführungsbeispiel
benutzt den durchschnittlichen Zellenwiderstandswert, um beim Schritt
S130 festzustellen, ob die Zelleneinheit die Befeuchtungstendenz
aufweist, die ein hohes Potential zur Überflutung besitzt. Die Identifikation
der Befeuchtungstendenz ist jedoch nicht auf dieses Verfahren beschränkt. Eine
mögliche
Modifikation kann einen an den Brennstoffzellen 20 angebrachten
Temperatursensor benutzen und die Befeuchtungstendenz der Brennstoffzellen 20 feststellen,
wenn die interne Temperatur der Brennstoffzellen 20 niedriger
ist als eine vorgegebene Bezugstemperatur. Eine andere mögliche Modifikation
kann die Befeuchtungstendenz der Brennstoffzellen 20 feststellen,
wenn der Durchfluß des
Brenngases und/oder des Oxidationsgases, die den Brennstoffzellen 20 zugeführt werden, nicht
größer ist
als ein vorgegebenes Bezugsniveau. Noch eine weitere mögliche Modifikation
kann eine unzureichende Temperatursteigerung in den Brennstoffzellen 20 feststellen
und die Befeuchtungstendenz der Brennstoffzellen 20 ermitteln,
wenn eine seit der Aktivierung des Brennstoffzellensystems 10 verstrichene
Zeitspanne eine vorgegebene Bezugszeit nicht überschreitet.
- (3) Das Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel
zur Feststellung der Überflutung
stellt basierend auf der Standardabweichung vom durchschnittlichen
Widerstandswert R(n) beim Schritt S150 fest, ob die Zelleneinheit
sich im Zustand der übermäßigen Hydration
befindet, wo sie das höchste
Potential zur Überflutung
aufweist. Die Verwendung der Standardabweichung ist jedoch nicht
wesentlich. Die Standardabweichung kann ersetzt werden durch jeden
statistischen Wert, der eine Veränderung
des durchschnittlichen Widerstandswerts repräsentiert, beispielsweise eine Varianz.
- (4) Auf der Basis, daß der
Feuchtigkeitszustand der Elektrolytmembran 22 den Widerstandswert der
Zelleneinheit beeinflußt,
benutzt das Verfahren nach dem Ausführungsbeispiel zur Feststellung
der Überflutung
den aus dem beobachteten Spannungswert der Wechselstromkomponente berechneten
Widersandswert zur Erkennung der Befeuchtungstendenz der Zelleneinheit
und zur Feststellung des Zustands der übermäßigen Hydration der Zelleneinheit.
Der Widerstandswert wird berechnet durch Division des beobachteten Spannungswerts
der Wechselstromkomponente durch den konstanten Wert des eingebrachten elektrischen
Stroms. Eine mögliche
Modifikation kann deshalb die Erkennung der Befeuchtungstendenz
und die Feststellung des Zustands der übermäßigen Hydration auf der Basis
des beobachteten Spannungswerts der Wechselstromkomponente ohne
Berechnung des Widerstandswerts durchführen. Beim modifizierten Ablauf
der Routine zur Ermittlung der Überflutung
nach 4 wird der Schritt S110 ausgelassen und das Verfahren
zur Ermittlung des Durchschnitts beim Schritt S120 auf der Basis
des beobachteten Spannungswerts der Wechselstromkomponente durchgeführt. Beim
folgenden Schritt S130 wird der Durchschnittswert mit einem vorgegebenen Vergleichswert
verglichen. Die Befeuchtungstendenz der Zelleneinheit wird erkannt,
wenn der durchschnittliche Spannungswert kleiner ist als der Bezugswert.
Der modifizierte Ablauf berechnet eine Standardabweichung des durchschnittlichen
Spannungswerts beim Schritt S140 und vergleicht die Standardabweichung
mit einem vorgegebenen Vergleichswert beim Schritt S150. Der Zustand
der übermäßigen Hydration
der Zelleneinheit wird festgestellt, wenn die Standardabweichung
nicht kleiner ist als der Bezugswert. Die Abwandlung benutzt den
beobachteten Spannungswert direkt, ohne den Widerstandswert zu berechnen,
wodurch die Verfahrenslast für
die Erkennung der Befeuchtungstendenz und die Feststellung des Zustands
der übermäßigen Hydration
reduziert wird.
- (5) Beim Brennstoffzellensystem 10 des Ausführungsbeispiels
ist die Spannungsermittlungsanordnung 50 für eine einzige
Zelleneinheit vorgesehen. Die Spannungsermittlungsanordnung 50 kann
für jede
von mehreren Zelleneinheiten vorgesehen sein, die aus der Stapelstruktur
der Brennstoffzellen 20 ausgewählt werden. Bei dieser abgewandelten
Konstruktion wird ein konstanter Wechselstrom auf die Brennstoffzellen 20 übertragen
und der Zustand der übermäßigen Hydration
wird auf der Basis der entnommenen Wechselstromkomponente der beobachteten Spannung
in jeder der mehreren Zelleneinheiten entdeckt, die mit den Spannungsermittlungsanordnungen 50 versehen
sind. Die oben beschriebene Routine zur Ermittlung der Überflutung
wird für
jede der ausgewählten
mehreren Zelleneinheiten durchgeführt und ergreift die geeigneten
Gegenmaßnahmen
gegen die Überflutung
ansprechend auf die Feststellung des Zustands der übermäßigen Hydration
in jeder dieser Zelleneinheiten.
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Zusammenfassung
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Bei
einem Brennstoffzellensystem (10) ausgestattet mit Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen
(20) überträgt ein Wechselstromgenerator
(52) einen Wechselstrom mit fester Frequenz und fester
Amplitude auf die Brennstoffzellen (20). Ein Modul zur
Erfassung der Wechselspannung (Kombination einer Filtereinheit 72 mit
einer Steuerung 52), filtert eine Wechselstromkomponente
heraus, die der Übertragung
des Wechselstroms von einer Ausgangsspannung auf eine spezielle
Zelleneinheit der Brennstoffzellen beigefügt ist und in zeitlicher Folge
einen Spannungswert der herausgezogenen Wechselstromkomponente erhält. Ein
Modul zur Überwachung
des Feuchtigkeitszustands (die Steuerung 54) erkennt, ob
die Brennstoffzellen eine Befeuchtungstendenz aufweisen. Falls durch
das Modul zur Überwachung
des Feuchtigkeitszustands eine Feuchtigkeitstendenz der Brennstoffzellen
(20) erkannt wird, berechnet ein Modul zur Erkennung einer übermäßigen Hydration,
(die Steuerung 54) einen statistischen Wert, der eine Größe einer
Veränderung
des in zeitlicher Folge erhaltenen Spannungswerts der Wechselstromkomponente
repräsentiert,
und feststellt, daß die
Brennstoffzellen (20) sich im Zustand der übermäßigen Hydration
befinden, wenn der berechnete, die Größe der Veränderung repräsentierende,
statistische Wert ein vorgegebenes Bezugsniveau überschreitet.