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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das ein zugeführtes Reagenzgas erhält, um eine Leistung zu erzeugen.
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Stand der Technik
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Ein Brennstoffzellenstapel ist ein Energieumwandlungssystem zur Zuführung eines Brennstoffgases und eines oxidierenden Gases bzw. Oxidationsgases zu einer Membran-Elektrodenanordnung, um eine elektrochemische Reaktion zu verursachen und dabei chemische Energie in elektrische Energie zu wandeln. Vor allem, kann ein Brennstoffzellenstapel vom Typ Festpolymerelektrolyt, in dem ein Festpolymerfilm als Elektrolyt benutzt wird, einfach kompakt zu niedrigen Kosten hergestellt werden und zusätzlich weist er eine hohe Leistungsdichte auf, so dass mit einer Nutzungsanwendung des Stapels als eine kraftfahrzeugmontierte Leistungsquelle gerechnet werden kann.
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In einem Gasdruchfluss einer Brennstoffzelle verbleiben ausgebildetes Wasser, das durch die elektrochemische Reaktion eines Reagenzgases erzeugt wird, Befeuchtungswasser zum Befeuchten des Reagenzgases und dergleichen. Wenn die Energieerzeugung gestoppt wird, solange dieses verbleibende Wasser zurückgelassen wird, gefriert das verbleiben Wasser in einer Umgebung mit einer niedrigen Temperatur, die Diffusion des Reagenzgases zur Membran-Elektrodenanordnung wird verhindert und die Niedrigtemperaturstarteigenschaften sinken. Angesichts eines derartigen Problems, wurde in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr.
JP 2002-246053 A eine Technik vorgeschlagen, die bei einem Betriebsstop ein Spülgas in den Brennstoffzellenstapel zuführt, einen Wassergehalt entfernt und die eine Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapeles misst, um den Trocknungsgrad eines Elektrolytenfilms zu beurteilen.
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Ferner offenbart die
US 2006/0121322 A1 Verfahren und Systeme zum Verbessern der Fähigkeit eines Brennstoffzellenstapels, bei Minustemperaturen zu starten, einschließlich eines Leitens eines Trocknungsstroms durch zumindest einen Abschnitt des Brennstoffzellenstapels und eines Leitens eines Wiederbefeuchtungstroms durch zumindest einen Abschnitt des Brennstoffzellenstapels vor dem Abschalten des Leistungserzeugungssystems.
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Darüber hinaus beschreibt die
US 2005/0170228 A1 , dass auf einen normalen Betrieb einer Brennstoffzelle zum Erzeugen von Elektrizität mit einem Elektrolytfilm, welcher zwischen einer ersten Elektrode, der ein Brenngas zugeführt wird, und einer zweiten Elektrode, der ein Oxidationsgas zugeführt wird, eingefügt ist, ein Abschaltbetrieb folgt, bei welchem der zweiten Elektrode das Brenngas zugeführt wird, um Wasserstoffionen zu erzeugen, und Wasserstoffionen aktiviert werden, um sich mit zugehörigem Wasser durch eine elektromotorische Kraft durch den Elektrolytfilm von der zweiten Elektrode zu der ersten Elektrode zu bewegen, wodurch Feuchtigkeit transportiert wird.
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Die
DE 10 2004 005 530 A1 offenbart ein Betriebszustandbestimmungsgerät zur Bestimmung des Betriebszustands einer Brennstoffzellenbatterie, die durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet ist, die jeweils einen Aufbau aufweisen, in dem eine Festelektrolytmembran im nassen Zustand zwischen einer Anode, der ein Brennstoffgas zugeführt wird, und einer Kathode, der ein Oxidiergas zugeführt wird, angeordnet ist. Das Betriebszustandbestimmungsgerät ist gekennzeichnet durch eine Spannungsmesseinrichtung zum Messen einer Spannung zumindest einer der Einheitszellen oder einer Spannung eines Einheitszellenstapels, der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen geformt ist, und eine Betriebszustandbestimmungseinrichtung zur Bestimmung, dass der Betriebszustand ein erster Betriebszustand ist, der entweder ein Zustand mit unzureichenden Brennstoffgas ist oder ein ausgetrockneter Zustand ist, falls sich die durch die Spannungsmesseinrichtung gemessene Spannung innerhalb eines unkorrekten Spannungsbereichs befindet, und unterhalb einer vorbestimmten Spannung liegt, die vorab auf einen niedrigen Wert eingestellt ist, der während eines Zustands mit unzureichendem Oxidiergas und während eines gefluteten Zustands im Wesentlichen unmöglich ist, und zur Bestimmung, dass der Betriebszustand ein zweiter Betriebszustand ist, der entweder ein Zustand mit unzureichenden Oxidiergas oder ein gefluteter Zustand ist, falls die durch die Spannungsmesseinrichtung gemessene Spannung innerhalb des unkorrekten Spannungsbereichs liegt und oberhalb der vorbestimmten Spannung liegt.
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Dokumente des Standes der Technik
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- [Patentdokument 1] japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. JP 2002-246053 A
- [Patentdokument 2] US 2006/0121322 A1
- [Patentdokument 3] US 2005/0170228 A1
- [Patentdokument 4] DE 10 2004 005 530 A1
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Offenbarung der Erfindung
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Wenn aber in einem Brennstoffzellensystem, das eine Funktion zur Abschätzung einer Spülungsausführungszeit basierend auf einer Wechselstromimpedanz eines Brennstoffzellenstapels gemessen zu Beginn der Spülung und einer Wechselstromimpedanz eines Brennstoffzellenstapeles gemessen zu einem Zeitpunkt, zu dem eine vorbestimmte Zeitspanne seit Beginn der Spülung verstrichen ist, aufweist, zu Beginn der Spülung nur ein geringer Wassergehalt in der Brennstoffzelle verbleibt, trocknet ein Elektrolytenfilm übermäßig, bevor die vorbestimmte Zeitspanne seit Beginn der Spülung abgelaufen ist, und die Brennstoffzelle wird daher gelegentlich beschädigt.
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Um das oben genannte Problem zu lösen, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das in der Lage ist eine ausfallsichere Ablaufsteuerung durchzuführen, so dass die Brennstoffzelle nicht übermäßig getrocknet wird.
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Um die oben genannte Aufgabe zu erfüllen, weist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung auf: eine Brennstoffzelle; eine Spülvorrichtung, die der Brennstoffzelle ein Spülgas zuführt; eine Wechselstromimpedanzmesseinheit, die eine Wechselstromimpedanz der Brennstoffzelle zu Beginn der Spülung misst und die eine Wechselstromimpedanz der Brennstoffzelle zu einem Zeitpunkt, zu dem eine vorbestimmte bzw. bestimmte Zeitspanne seit Beginn der Spülung verstrichen ist, misst; eine Spülungsausführungszeitbewertungseinheit, die eine Spülungsausführungszeit veranschlagt, basierend auf der Wechselstromimpedanz gemessen zu Beginn der Spülung, der Wechselstromimpedanz gemessen zu dem Zeitpunkt, zu dem die bestimmte bzw. vorbestimmte Zeitspanne seit Beginn der Spülung verstrichen ist und der bestimmten bzw. vorbestimmten Zeitspanne; und eine Fehlerbearbeitungseinheit, die den Spülvorgang zwingend beendet, wenn die Brennstoffzellenspannung in einem Zeitraum vom Beginn der Spülung bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die vorbestimmte Zeitspanne seit Beginn der Spülung verstrichen ist, unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt.
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Das Absinken der Zellspannung zeigt die Trocknung in der Brennstoffzelle an. Daher kann in einem Fall, in dem der Spülvorgang zwingend beendet wird, wenn die Zellspannung unter den vorbestimmten Schwellenwert fällt, die ausfallsicher Ablaufsteuerung so durchgeführt werden, dass die Brennstoffzelle nicht übermäßig getrocknet wird.
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Hierbei veranschlagt die Spülungsausführungszeitbewertungseinheit die Spülungsausführungszeit vorzugsweise unter Verwendung einer Interpolationsfunktion. Die Veränderung der Wechselstromimpedanz in Abhängigkeit eines Verstreichens der Zeit während des Spülvorgangs, kann an eine spezielle Funktionskurve angenähert werden, so dass die Veranschlagungsgenauigkeit durch die Verwendung der Interpolationsfunktion verbessert werden kann.
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Der Zeitpunkt, zu dem die vorbestimmte Zeitspanne seit Beginn der Spülung verstrichen ist, kann ein Zeitpunkt sein, an dem der Absolutwert der Temperaturänderungsrate der Brennstoffzelle unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt, oder ein vorbestimmter fester Zeitpunkt. Die Wechselstromimpedanz wird zu einem Zeitpunkt gemessen, an dem erwartet wird, dass der Wassergehalt in der Brennstoffzelle soviel wie möglichst absinkt, wodurch die Veranschlagungsgenauigkeit der Spülungsausführungszeit verbessert werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Strukturdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine perspektivische Explosionszeichnung einer Zelle;
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3 ist ein Ersatzschaltbilddiagramm, das die elektrischen Kenndaten einer Zelle zeigt;
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4 ist ein Graph, der die Wechselstromimpedanz eines Brennstoffzellenstapels in einer komplexen Ebene zeigt;
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5 ist ein Funktionsblockschaltbild einer Steuereinheit, die mit dem Spülvorgang verbunden ist;
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6A ist ein Zeitdiagramm, das den An/Aus-Zustand eines Zündschalters zeigt;
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6B ist ein Zeitdiagramm einer Zellspannungsmessanweisung, die einer Fehlerbearbeitungseinheit gegeben wird;
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6C ist ein Zeitdiagramm, das die Veränderung einer Zellspannung während des Spülvorgangs zeigt;
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6D ist ein Zeitdiagramm einer Wechselstromimpedanzmessanweisung, die einer Wechselstromimpedanzmesseinheit gegeben wird;
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6E ist ein Zeitdiagramm, das einen Wechselstromimpedanzwert, der in einem Messwertspeicher gespeichert ist, zeigt;
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6F ist ein Zeitdiagramm, das zeigt, dass sich ein Fehlerbeendigungsflag bzw. -kennzeichen An/Aus schaltet;
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6G ist ein Zeitdiagramm, das die Flussrate von Luft zeigt, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird;
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7A ist ein Zeitdiagramm, das den An/Aus-Zustand eines Zündschalters zeigt;
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7B ist ein Zeitdiagramm der Zellspannungsmessanweisung, die der Fehlerbearbeitungseinheit gegeben wird;
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7C ist ein Zeitdiagramm, das die Veränderung der Zellspannung während des Spülvorgangs zeigt;
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7D ist ein Zeitdiagramm der Wechselstromimpedanzmessanweisung, die der Wechselstromimpedanzmesseinheit gegeben wird;
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7E ist ein Zeitdiagramm, das den Wechselstromimpedanzwert, der in dem Messwertspeicher gespeichert ist, zeigt;
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7F ist ein Zeitdiagramm, das zeigt, dass sich das Fehlerbeendigungsflag An/Aus schaltet; und
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7G ist ein Zeitdiagramm, das die Flussrate von der Luft zeigt, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird;
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Beste Art, die Erfindung auszuführen
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Eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt einen Systemaufbau eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
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Das Brennstoffzellensystem 10 fungiert als ein kraftfahrzeugmontiertes Leistungsquellensystem, das auf einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert ist, und beinhaltet einen Brennstoffzellenstapel 20, der ein zugeführtes Wasserstoffgas (ein Brennstoffgas, ein Oxidationsgas) erhält, um eine Leistung zu erzeugen; ein Oxidationsgaszufürungssystem 30 zum Zuführen von Luft als das Oxidationsgas zu dem Brennstoffzellenstapel 20; ein Brennstoffgaszuführungssystem 40 zum Zuführen von Wasserstoffgas als das Brennstoffgas zu dem Brennstoffzellenstapel 20; ein Stromversorgungssystem 50 zur Kontrolle der Ladung/Entladung der Leistung; ein Kühlsystem 60 zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels; und eine Steuerungseinheit (ECU) 90, die das gesamte System steuert.
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Der Brennstoffzellenstapel 20 ist ein Brennstoffzellenstapel vom Typ Festpolymerelektrolyt, in dem eine Vielzahl von Zellen in Reihe gestapelt sind. Im Brennstoffzellenstapel 20 findet eine Oxidationsreaktion nach Formel (1) an einem Anodenpol statt und eine Reduktionsreaktion nach Formel (2) findet an einem Kathodenpol statt. Im gesamten Brennstoffzellenstapel 20 findet eine elektromotorische Reaktion nach Formel (3) statt. H2 → 2H+ + 2e– (1) (1/2)O2 + 2H+ + 2e– → H2O (2) H2 + (1/2)O2 → H2O (3)
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An dem Brennstoffzellenstapel 20 sind ein Spannungssensor 71 zur Detektion der Ausgangsspannung der Brennstoffzellenstapels 20, ein Stromsensor 72 zur Detektion eines Energieerzeugungsstromes und ein Zellenmonitor (ein Zellspannungsdetektor) 75 zur Detektion einer Zellspannung angebracht.
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Das Oxidationsgaszufürungssystem 30 verfügt über einen Oxidationsgasdurchlass 34 durch den das dem Kathodenpol des Brennstoffzellenstapels 20 zuzuführende Oxidationsgas fließt und über einen Oxidationsabgasdurchlass 36 durch den ein von dem Brennstoffzellenstapel 20 abgegebenes Oxidationsabgas fließt. Der Oxidationsgasdurchlass 34 ist mit einem Luftkompressor 32, der das Oxidationsgas aus der Atmosphäre durch einen Filter 31 holt, einem Befeuchter 33, der das dem Kathodenpol des Brennstoffzellenstapels 20 zuzuführende Oxidationsgas befeuchtet, und einem Drosselventil 35 zu Regulierung der Menge des zuzuführenden Oxidationsgases versorgt. Der Oxidationsabgasdurchlass 36 ist mit einem Gegendruckregulationsventil 37 zur Regulation eins Oxidationsgaszuleitungsdruckes und dem Befeuchter 33 versorgt, der den Austausch des Wassergehalts zwischen dem Oxidationsgas (einem trockenem Gas) und dem Oxidationsabgas (einem feuchten Gas) vornimmt.
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Das Brennstoffgaszuführungssystem 40 verfügt über eine Brennstoffgasvoratsquelle 41; einen Brennstoffgasdurchlass 45, durch den das von der Brennstoffgasvoratsquelle 41 dem Anodenpol des Brennstoffzellenstapels 20 zuzuführende Brennstoffgas fließt; einen Umlaufdruchlass 46 zum Zurückführen eines vom Brennstoffzellenstapel 20 abgegebenen Brennstoffabgases in den Brennstoffgasdurchlass 45; eine Umlaufpumpe 47, die das Brennstoffabgas im Umlaufdruchlass 46 unter Druck in den Brennstoffgasdurchlass 45 einspeist; und einen vom Umlaufdruchlass 46 abgezweigten und mit ihm verbundenen Gas/Wasser-Auslassdurchlass 48.
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Die Brennstoffgasvoratsquelle 41 ist zum Beispiel als ein Hochdruckwasserstofftank, eine wasserstoffabsorbierenden Legierung oder dergleichen ausgeführt und erhält das Wasserstoffgas unter einem hohen Druck (z. B. 35 MPa bis 70 MPa). Wenn ein Abstellventil 42 geöffnet wird, wird das Brennstoffgas von der Brennstoffgasvoratsquelle 41 in den Brennstoffgasdurchlass 45 abgegeben. Der Druck des Brennstoffgases wird durch den Regulator 43 und einen Injektor 44 auf zum Beispiel 200 kPa verringert und dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt.
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Es ist anzumerken, dass die Brennstoffgasvoratsquelle 41 ausgeführt sein kann, als ein Reformer der ein wasserstoffreiches reformiertes Gas aus einem kohlenwasserstoffbasiertem Brennstoff ausbildet, und ein Hochdrucktank, der das von diesem Reformer ausgebildete, reformierte Gas in einen Hochdruckzustand bringt, um den Druck anzusammeln.
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Der Regulator 43 ist eine Vorrichtung, die den ankommenden Druck (den anfänglichen Druck) am Regulator auf einen voreingestellten sekundären Druck reguliert und ist zum Beispiel als ein mechanisches Druckminderventil oder dergleichen ausgeführt, welches den anfänglichen Druck reduziert. Das mechanische Druckminderventil verfügt über ein Gehäuse, das mit einer Rückstaukammer und einer durch ein Diaphragma ausgebildeten Druckregluationskammer versorgt ist, und verfügt über einen Aufbau, durch den der anfängliche Druck durch den Rückstaudruck der Rückstaukammer auf einen voreingestellten Druck reduziert wird, um den sekundären Druck in der Druckregluationskammer auszubilden.
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Der Injektor 44 ist vom Typus eines elektromagnetisch gesteuerten öffnen/schließen Ventils, in dem ein Ventilkörper direkt mit einer elektromagnetischen Steuerkraft für eine vorbestimmte Steuerperiode gesteuert und von einem Ventilsitz gelöst wird, wodurch eine Gasflußrate oder eine Gasdruck reguliert werden kann. Der Injektor 44 enthält den Ventilsitz, der über Ausströmlöcher verfügt, die einen gasförmigen Brennstoff wie beispielsweise das Brennstoffgas ausströmen, und er enthält ferner einen Düsenkörper, der den gasförmigen Brennstoff zu den Ausströmlöcher zuführt und lenkt, und den Ventilkörper, der bezüglich dieses Düsenkörpers beweglich aufgenommen und in einer axialen Richtung (einer Gasflußrichtung) gehalten wird, um die Ausströmlöcher zu öffnen oder zu schließen.
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Der Gas/Wasser-Auslassdurchlass 48 ist mit einem Gas/Wasser-Auslassventil 49 versorgt. Das Gas/Wasser-Auslassventil 49 arbeitet in Übereinstimmung mit einem Befehl von der Steuereinheit 90, um aus dem System das Brennstoffabgas inklusive Unreinheiten im Umlaufdruchlass 46 und einem Wassergehalt abzugeben. Wenn das Gas/Wasser-Auslassventil 49 geöffnet ist, nimmt die Konzentration der Unreinheiten im Brennstoffabgas des Umlaufdruchlass 46 ab und die Konzentration von Wasserstoff im durch ein Umlaufsystem umgewälzten Brennstoffabgas kann erhöht werden.
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Das durch das Gas/Wasser-Auslassventil 49 abgegebene Brennstoffabgas wird mit dem durch den Oxidationsabgasdurchlass 36 fließendem Oxidationsabgas vermischt und wird durch einen Verdünner (nicht gezeigt) verdünnt. Die Umlaufpumpe 47 wird durch einen Motor angetrieben, um das Brennstoffabgas des Umlaufsystems umzuwälzen und zum Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführen.
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Das Stromversorgungssystem 50 enthält einen DC/DC-Wandler 51, eine Batterie 52, einen Antriebsumrichter (INV) 53, einen Antriebsmotor 54 und Hilfsmaschinen 55. Der DC/DC-Wandler 51 ist Leistungsumwandlunghilfsmittel, das über eine Funktion verfügt, einen von der Batterie 52 zugeführte Gleichstromspannung anzuheben, um die Spannung zum Antriebsumrichter 53 auszugeben, und über eine Funktion, eine vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugte oder vom Antriebsmotor 54 aus regenerierter Leistung durch generatorische Bremsung gesammelte Gleichstromspannung abzusenken, um die Batterie 52 zu laden. Das Laden/Entladen der Batterie 52 wird durch diese Funktionen des DC/DC-Wandlers 51 gesteuert. Ferner wird ein Arbeitspunkt (die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20 durch die Spannungswandlungsregelung des DC/DC-Wandler 51 gesteuert.
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Die Batterie 52 fungiert als eine Speicherquelle für überschüssige Energie, eine Speicherquelle für während des generatorischen Bremsens regenerierter Energie oder eine Energiereserve während Lastschwankungen, die Beschleunigung oder Verzögerung des Brennstoffzellenfahrzeugs begleiten. Als Batterie 52 ist zum Beispiel eine Nickel-Cadmium-Akkumulator-Batterie, eine Nickel-Wasserstoff-Akkumulator-Batterie oder eine sekundär Batterie, wie zum Beispiel ein Lithium Akkumulator vorzuziehen.
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Der Antriebsumrichter 53 ist zum Beispiel ein durch ein Pulsweitenmodulationssystem gesteuerter PWM-Umrichter und wandelt in Übereinstimmung mit einer Steueranweisung der Steuerungseinheit 90 die Gleichstromspannungsausgabe des Brennstoffzellenstapels 20 oder der Batterie 52 in eine Dreiphasenwechselstromspannung, um das Drehmoment des Antriebsmotors 54 zu steuern. Der Antriebsmotor 54 ist zum Beispiel ein Dreiphasenwechselstrommotor und bildet eine Leistungsquelle des Brennstoffzellenfahrzeugs.
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Die Hilfsmaschinen 55 enthalten allgemein Motoren, die in Einheiten des Brennstoffzellensystems 10 (z. B. Leistungsquellen für Pumpen und dergleichen) angeordnet sind, Umrichter zum Steuern dieser Motoren und jegliche Art von kraftfahrzeugmontierte Hilfsmaschinen (z. B. ein Luftkompressor, ein Injektor, eine Kühlwasserpumpe, einen Kühler oder dergleichen).
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Das Kühlsystem 60 enthält Kühlmitteldurchlässe 61, 62, 63 und 64, um ein Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel 20 umzuwälzen; eine Umlaufpumpe 65, um das Kühlmittel unter Druck einzuspeisen; einen Kühler 66, um den Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel und Außenluft durchzuführen; ein Dreiwegeventil 67, um einen Umlaufweg für das Kühlmittel einzustellen; und einen Temperatursensor 74, um die Kühlmitteltemperatur zu detektieren. Während eines normalen Betriebs, nach Abschluss des Aufwärmbetriebs, wird das Öffnen/Schließen des Dreiwegeventils 67 so gesteuert, dass das vom Brennstoffzellenstapel 20 abgegebene Kühlmittel durch die Kühlmitteldurchlässe 61, 64 fließt, vom Kühler 66 gekühlt wird und dann durch den Kühlmitteldurchlass 63 wieder in den Brennstoffzellenstapel 20 fließt. Anderseits wird das Öffnen/Schließen des Dreiwegeventils 67 so gesteuert, dass während des Aufwärmbetriebs direkt nach der Inbetriebnahme des Systems das vom Brennstoffzellenstapel 20 abgegebene Kühlmittel durch die Kühlmitteldurchlässe 61, 62 und 63 wieder in den Brennstoffzellenstapel 20 fließt.
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Die Steuerungseinheit 90 ist ein Computersystem, das eine CPU, ein ROM, ein RAM, ein Eingabe/Ausgabe-Interface und dergleichen enthält und fungiert als Steuermittel zum Steuern der Einheiten (des Oxidationsgaszufürungssystems 30, des Brennstoffgaszuführungssystems 40, des Stromversorgungssystems 50 und des Kühlsystems 60) des Brennstoffzellensystems 10. Wenn zum Beispiel ein Inbetriebnahmesignal IG von einem Zündschalter empfangen wurde, lässt die Steuereinheit 90 den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 anlaufen, um die geforderte Leistung des gesamten Systems basierend auf der Ausgabe eines Gaspedalöffnungswinkelsignals ACC von einem Gaspedalsensor, der Ausgabe eines Fahrzeuggeschwindigkeitssignals VC von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor und dergleichen zu erhalten.
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Die geforderte Leistung des gesamten Systems ist ein Gesamtwert einer Fahrzeugbewegungsleistung und eine Hilfsmaschinenleistung. Die Hilfsmaschinenleistung enthält eine Leistung, die von den kraftfahrzeugmontierten Hilfsmaschinen (dem Befeuchter, dem Luftkompressor, der Wasserstoffpumpe, der Kühlwasserumlaufpumpe oder dergleichen) verbraucht wird, eine Leistung, die von einer Vorrichtung (einer Gangschaltung, einer Radsteuervorrichtung, einer Lenkvorrichtung, einer Federvorrichtung oder dergleichen), die zum Bewegen des Fahrzeuges nötig ist, verbraucht wird, einer Leistung, die von einer Vorrichtung, die in einem Passagierraum angeordnet ist (eine Klimaanlage, ein Beleuchtungskörper, eine Musikanlage und dergleichen), verbraucht wird und dergleichen.
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Ferner bestimmt die Steuerungseinheit 90 die Verteilung der Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 20 und der Batterie 52, berechnet einen Energieerzeugungsanweisungswert und steuert das Oxidationsgaszufürungssystem 30 und das Brennstoffgaszuführungssystem 40, so dass die Menge der durch den Brennstoffzellenstapel 20 zu erzeugenden Leistung mit einer Sollleistung übereinstimmt. Darüber hinaus steuert die Steuereinheit 90 den DC/DC-Wandler 51, um die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 zu regulieren, dabei wird der Arbeitspunkt (die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20 gesteurert. Um die Fahrzeugsollgeschwindigkeit entsprechend des Gaspedalöffnungswinkels zu erzielen, gibt die Steuereinheit 90 zum Beispiel U-Phase, V Phase und W-Phase Wechselstromspannungsanweisungswerte als Schaltanweisungen an den Antriebsumrichter 53 aus und steuert ein Ausgangsdrehmoment und eine Umdrehungszahl des Antriebsmotors 54.
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2 ist eine perspektivische Explosionszeichnung einer Zelle 21, aus denen der Brennstoffzellenstapel 20 aufgebaut wird.
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Die Zelle 21 ist aufgebaut aus einem Elektrolytenfilm 22, einem Anodenpol 23, einem Kathodenpol 24 und Separatoren 26, 27. Der Anodenpol 23 und der Kathodenpol 24 sind Diffusionselektroden, die den Elektrolytenfilm 22 von beiden Seiten einbauen, um eine Sandwich- bzw. Schichtstruktur aufzubauen. Die Separatoren 26, 27, die aus gasundurchlässigen leitfähigen Baulelementen aufgebaut sind, bauen diese Sandwichstruktur weiter von beiden Seiten ein, während sie die Durchlässe für das Brennstoffgas und das Oxidationsgas zwischen dem Anodenpol 23 und dem Kathodenpol 24 ausbilden. Der Separator 26 weist Rippen 26a auf, die über ausgesparte Bereiche verfügen. Der Anodenpol 23 liegt an den Rippen 26a an, um die Öffnungen der Rippen 26a zu schließen, dabei bildet er einen Brennstoffgasdurchlass aus. Der Separator 27 weist Rippen 27a auf, die über ausgesparte Bereiche verfügen. Der Kathodenpol 24 liegt an den Rippen 27a an, um die Öffnungen der Rippen 27a zu schließen, dabei bildet er einen Oxidationsgasdurchlass aus.
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Der Anodenpol 23 verfügt über eine katalytische Schicht 23a, die Kohlepulver enthält, das einen platinbasierten Metallkatalysator (Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ru oder dergleichen) als einen Hauptbestandteil trägt, die katalytische Schicht kommt in Kontakt mit dem Elektrolytenfilm 22; und eine Gasdiffusionsschicht 23b, die an der Oberfläche der katalytischen Schicht 23a ausgebildet ist und sowohl über Gasdurchlässigkeit als auch Elektronenleitfähigkeit verfügt. In ähnlicher Weise verfügt der Kathodenpol 24 über eine katalytische Schicht 24a und eine Gasdiffusionsschicht 24b. Insbesondere, hinsichtlich der katalytischen Schichten 23a, 24a, wird das Kohlepulver, das Platin oder eine aus Platin und einem anderen Metall hergestellte Legierung trägt, in einem geeignetem organischen Lösungsmittel verteilt, und eine angemessene Menge einer elektrolytische Lösung wird hinzugegeben, verklebt und auf den Elektrolytenfilm 22 siebgedruckt. Die Gasdiffusionsschichten 23b, 24b werden aus Kohlegewebe, die mit einem Faden aus einer Kohlefaser gewoben wurden, Kohlepapier oder Kohlefilz gebildet. Der Elektrolytenfilm 22 ist eine protonenleitende Ionentauschmenbran gebildet aus einem festpolymeren Material, zum Beispiel einem fluorbasiertem Harz, und bringt in einem feuchtem Stadium eine zufriedenstellende elektrische Leitfähigkeit zur Geltung. Der Elektrolytenfilm 22, der Anodenpol 23 und der Kathodenpol 24 bilden eine Membran-Elektrodenanordnung 25.
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3 ist ein Ersatzschaltbilddiagramm, das die elektrischen Kenndaten der Zelle 21 zeigt.
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Die Ersatzschaltung der Zelle 21 verfügt über einen Schaltungsaufbau, in dem R1 in Serie mit einem Schaltkreis verbunden ist, in dem R2 und C gegenseitig parallel verbunden sind. Hierbei entspricht R1 einen elektrischem Widerstand des Elektrolytenfilms 22 und R2 entspricht einem Widerstand, in den eine Aktivierungsüberspannung und eine Diffusionsüberspannung gewandelt werden. C entspricht einer elektrischen Doppelschichtkapazität, die an der Grenzfläche zwischen dem Anodenpol 23 und dem Elektrolytenfilm 22 und an einer Grenzfläche zwischen dem Kathodenpol 24 und dem Elektrolytenfilm 22 ausgebildet wird. Wenn ein sinusförmiger Strom, der über eine vorbestimmte Frequenz verfügt, an diese Ersatzschaltung angelegt wird, wird die Antwort der Spannung bezüglich der Änderung des Stroms verzögert.
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4 ist ein Graph, der die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 20 in einer komplexen Ebene zeigt. Die Abszisse bildet einen Realteil der Wechselstromimpedanz ab und die Ordinate bildet einen Imaginärteil der Wechselstromimpedanz ab. ω ist die Winkelgeschwindigkeit des sinusförmigen Stroms.
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Wenn ein sinusförmiges Signal von einer hohen bis zu einer niedrigen Frequenz an das in 3 gezeigte Ersatzschaltbild angelegt wird, erzielt man den in 4 gezeigten Graphen. Die Wechselstromimpedanz wird in einem Fall, in dem die Frequenz des sinusförmigen Signals unendlich hoch ist (ω = ∞) durch R1 dargestellt. Die Wechselstromimpedanz wir in einem Fall, in dem die Frequenz des sinusförmigen Signals sehr klein ist (ω = 0) durch R1 + R2 dargestellt. Die zu einem Zeitpunkt, in dem die Frequenz des sinusförmigen Signals zwischen der hohen Frequenz und der niedrigen Frequenz geändert wird, erzielte Wechselstromimpedanz zeichnet einen Halbkreis, wie in 4 gezeigt wird.
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Wenn ein derartige Wechselstromimpedanzvorgang Anwendung findet, können R1 und R2 im Ersatzschaltbild des Brennstoffzellenstapels 20 unabhängig voneinander gemessen werden. Wenn R1 größer als ein vorbestimmter Wert ist und die Abgabe des Brennstoffzellenstapels 20 sinkt, trocknet der Elektrolytenfilm 22, um die Widerstandsüberspannung zu erhöhen und es kann geurteilt werden, dass die Absenkung der Leitfähigkeit ein Grund für das Absenken der Abgabe ist. Wenn R2 größer als ein vorbestimmter Wert ist und die Abgabe des Brennstoffzellenstapels 20 sinkt, ist übermäßig viel Wasser auf der Oberfläche der Elektroden vorhanden und es kann geurteilt werden, dass die Erhöhung der Diffusionsüberspannung der Grund ist.
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5 ist ein Funktionsblockschaltbild der Steuereinheit 90, die mit dem Spülvorgang verbunden ist.
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Die Steuereinheit 90 beinhaltet Spannungsanweisungseinheit 91, eine Wechselstromimpedanzmesseinheit 92, einen Messwertspeicher 93, eine Spülungsausführungszeitbewertungseinheit 94 und eine Fehlerbearbeitungseinheit 95, und diese Einheiten wirken zusammen, um als Spülungssteuerungshilfsmittel zu fungieren.
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Die Wechselstromimpedanzmessung des Brennstoffzellenstapels 20 durch die Steuereinheit 90 wird mit folgender Methode durchgeführt.
- (1) Die Spannungsanweisungseinheit 91 überlagert, um einen Spannungsanweisungswert zu bilden, eine vorbestimmte Gleichstromspannung mit dem sinusförmigen Signal, um einen derartigen Spannungsanweisungswert an den DC/DC-Wandler 51 auszugeben.
- (2) Der DC/DC-Wandler 51 arbeitet basierend auf dem Spannungsanweisungswert und wandelt die in der Batterie 52 angesammelte Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung, um das sinusförmige Signal an den Brennstoffzellenstapel 20 anzulegen.
- (3) Die Wechselstromimpedanzmesseinheit 92 tastet eine vom Spannungssensor 71 detektierte Anwortspannung und einen vom Stromsensor 72 detektierten Antwortstrom mit einer vorbestimmten Abtastrate ab, führt eine schnelle Fourier-Transformationsberechnung (FFT-Berechnung) durch, teilt die Anwortspannung und den Antwortstrom in den jeweiligen Realanteil und Imaginäranteil auf, teilt die der FFT-Berechnung unerzogene Anwortspannung durch den der FFT-Berechnung unerzogenen Antwortstrom, um die Realanteil und die Imaginäranteil der Wechselstromimpedanz zu berechnen und berechnet eine Entfernung r und einen Phasenwinkel θ von einem Ursprung der komplexen Ebene. Wenn die Anwortspannung und der Antwortstrom gemessen werden, während die Frequenz des an den Brennstoffzellenstapel 20 angelegten sinusförmigen Signals fortlaufend geändert wird, kann die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 20 berechnet werden.
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Es ist anzumerken, dass der Strom, der durch den Brennstoffzellenstapel 20 fließt, mit der Bewegung von Ladungen in Folge einer chemischen Reaktion einhergeht. Daher schwankt eine Reaktionsmenge (eine Gasverbrauchsrate) in Bezug auf das zugeführte Gas, wenn die Amplitude eines Wechselstromsignals erhöht wird. Wenn die Gasverbrauchsrate schwankt, wird gelegentlich ein Fehler in der Messung der Wechselstromimpedanz erzeugt. Infolgedessen ist der Wechselstromanteil des an den Brennstoffzellenstapel 20 angelegten Signals während der Wechselstromimpedanzmessung vorzugsweise ungefähr einige Prozent (%) des Gleichstromanteils.
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Die Wechselstromimpedanzmesseinheit 92 speichert die, wie oben beschrieben, gemessen Werte der Wechselstromimpedanz im Messwertspeicher 93. Die Spülungsausführungszeitbewertungseinheit 94 veranschlagt eine Spülungsausführungszeit basierend auf einem im Messwertspeicher 93 gespeichertem Wechselstromimpedanzwert. Die Fehlerbearbeitungseinheit 95 überwacht durch den Zellenmonitor 75 die Zellspannungausgabe während des Spülvorgangs und führt eine Fehlerbearbeitung (Ablaufsteuerung zur zwingenden Beendigung des Spülvorgangs), wenn die Zellspannung auf einen Fehler hinweist, als ausfallsicher Ablaufsteuerung, durch.
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Im folgenden werden Einzelheiten des Spülvorgangs unter Bezug auf die 6A bis 6G erläutert.
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6A zeigt den An/Aus-Zustand eines Zündschalters, 6B zeigt eine Zellspannungsmessanweisung, die der Fehlerbearbeitungseinheit 95 gegeben wird, 6C zeigt die Veränderung der Zellspannung während des Spülvorgangs, 6D zeigt eine Wechselstromimpedanzmessanweisung, die der Wechselstromimpedanzmesseinheit 92 gegeben wird, 6E zeigt den Wechselstromimpedanzwert, der im Messwertspeicher 93 gespeichert ist, 6F zeigt ein Fehlerbeendigungsflag und 6G zeigt die Flussrate der dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführten Luft.
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Wenn sich der Zündschalter zum Zeitpunkt t1 ausschaltet, befindet sich der Brennstoffzellenstapel 20 vor dem Zeitpunkt t1 in einem energieerzeugendem Zustand und die Wechselstromimpedanzmessanweisung wird der Wechselstromimpedanzmesseinheit 92 in einem festem zyklischen Intervall (6D) gegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird der im Messwertspeicher 93 gespeicherte Wechselstromimpedanzwert sukzessiv auf den neueste Wert aktualisiert (6E). Ferner wird die Flussrate der dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführten Luft auf eine Flussrate F1 gesteuert, die einer Energieerzeugungsanforderung entspricht (6G).
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Wenn sich der Zündschalter zum Zeitpunkt t1 ausschaltet und die Steuereinheit 90 angewiesen wird den Betrieb einzustellen, speichert die Steuereinheit 90 einen zum Zeitpunkt t1 gemessenen Wechselstromimpedanzwert Z1 im Messwertspeicher 93, um den Spülvorgang anlaufen zu lassen. Der Spülvorgang ist ein Vorgang, bei dem der Luftkompressor 32 als eine Spülungsvorrichtung angetrieben wird und es zugelassen wird, dass verdichtete Luft als Spülgas durch einen Gaskanal im Brennstoffzellenstapel 20 fließt, wodurch ein Feuchtigkeitszustand im Gaskanal geeignet reguliert wird. Wenn ein hoher Wassergehalt im Gaskanal verbleibt, nehmen die Starteigenschaften bei der nächsten Inbetriebnahme ab und zusätzlich versagen in einer Niedertemperaturumgebung gelegentlich Rohre, Ventile und dergleichen aufgrund des einfrierenden Wassergehalts. Andererseits nimmt, wenn es dem Brennstoffzellenstapel 20 an Wassergehalt mangelt, die Leitfähigkeit des Elektrolytenfilms 22 ab und verursacht dabei eine Verminderung der Energieerzeugungseffizienz. Infolgedessen setzt der Spülvorgang die Wechselstromimpedanz zu einem Zeitpunkt, zu dem im Inneren des Brennstoffzellenstapels 20 ein optimaler Feuchtezustand zustande kommt, als Sollwechselstromimpedanz Z3 fest und reguliert die Spülungsausführungszeit, damit die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 20 mit der Sollwechselstromimpedanz Z3 übereinstimmt. Die Flussrate der dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführten Luft während der Ausführung des Spülvorgangs wird auf eine Spülflussrate F2 gesteuert (6G).
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Dann, während eines Zeitbereichs vom Zeitpunkt t1 bis zu einem Zeitpunkt t2, wird die Zellspannungsmessanweisung mit Unterbrechungen an die Fehlerbearbeitungseinheit 95 gegeben. Die Zellspannungsmessanweisung hat einen Zweck, dem Brennstoffzellenstapel 20 zu erlauben eine konstanten Strom zu erzeugen und dabei den Trocknungsgrad (Widerstandsgrad) des Elektrolytenfilms 22 durch die Veränderung der Zellspannung zu beurteilen. Die Fehlerbearbeitungseinheit 95 prüft, ob die Zellspannungausgabe vom Zellenmonitor 75 während des Spülvorgangs unter eine Schwellenwertspannung Vt fällt, oder nicht. Dann wird erwogen, dass zu einem Zeitpunkt t2, falls die Zellspannung nicht unter die Schwellenwertspannung Vt fällt aber der Absolutwert der Temperaturänderungsrate des Brennstoffzellenstapels 20 unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt, die Menge des verdampften Wassers im Brennstoffzellenstapel 20 gesättigt ist, um einen geeigneten Trockenzustand zu erreichen, und daher wird der Wechselstromimpedanzmesseinheit 92 die Wechselstromimpedanzmessanweisung gegeben (6D).
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Dann misst die Steuereinheit 90 eine Wechselstromimpedanz Z2 des Brennstoffzellenstapels 20 zum Zeitpunkt t2 und aktualisiert den neusten im Messwertspeicher 93 gespeicherten Wechselstromimpedanzwert von Z1 auf Z2. Vom Standpunkt der Verbesserung der Veranschlagungsgenauigkeit der Spülungsausführungszeit aus, ist der Zeitpunkt t2 vorzugsweise ein Zeitpunkt, an dem erwartet wird, dass der Wassergehalt im Brennstoffzellenstapel 20 so weit wie möglich abgesenkt ist. Zum Beispiel ist die Messung der Wechselstromimpedanz vorzugsweise zu dem Zeitpunkt auszuführen, an dem der Absolutwert der Temperaturänderungsrate des Brennstoffzellenstapels 20 unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt, wie oben beschrieben, oder an dem eine vorbestimmte Zeitspanne (eine feste Zeitspanne) seit dem Beginn des Spülvorgangs abgelaufen ist.
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Die Spülungsausführungszeitbewertungseinheit 94 veranschlagt eine Spülungsausführungszeit T2, von der gefordert wird, dass sie die Wechselstromimpedanz mit der Sollwechselstromimpedanz Z3 in Übereinstimmung bringt, unter Verwendung einer Interpolationsfunktion CF, die auf der zum Zeitpunkt t1 gemessenen Wechselstromimpedanz Z1, der zum Zeitpunkt t2 gemessenen Wechselstromimpedanz Z2 und einer zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2 verstrichenen Zeitspanne T1 basiert.
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Die Interpolationsfunktion CF ist eine Funktion zum Veranschlagen einer Zielkoordinate (t3, Z3) basierend auf mindestens zwei gemessenen Koordinaten, zum Beispiel (t1, Z1) und (t2, Z2) und wird durch ein Experiment oder dergleichen ermittelt. Als Interpolationsfunktion CF ist zum Beispiel eine quadratische Funktion zu bevorzugen. Beispiele von quadratische Funktionen enthalten Z = at2 + Z0, in der t die Zeit ist, Z die Wechselstromimpedanz ist und a und Z0 positive Konstanten sind. Wenn zwei Messkoordinaten in die quadratische Funktion eingesetzt werden, sind die Werte der Konstanten a und Z0 bestimmt. Die Lösung für t zu einem Zeitpunkt, zu dem Z = Z3 gilt, ist ein Spülungsbeendigungszeitpunkt t3. Die Spülungsausführungszeit T2 kann berechnet werden durch Spülungsausführungszeit T2 = Spülungsbeendigungszeitpunkt t3 – Beginn des Spülvorgangs t1. Die Wechselstromimpedanzmesseinheit 92 beendet den Spülvorgang zum Zeitpunkt t3 (6G).
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Im Folgenden wird eine ausfallsichere Ablaufsteuerung in einem Fall, in dem die Zellspannung unter den Schwellenwert Vt fällt unter Bezug auf die 7A bis 7G beschrieben.
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Zum Zeitpunkt t1, an dem die Steuereinheit 90 angewiesen wird den Betrieb einzustellen, läuft der Spülvorgang an und zusätzlich wird überprüft, ob die Zellspannung unter den Schwellenwert Vt fällt, oder nicht. Es wird berücksichtigt, dass zu einem Zeitpunkt t4, an dem die Zellspannung unter den Schwellenwert Vt fällt, sich der Widerstandswert des Elektrolytenfilms 22 aufgrund des fehlerhaften Trocknens des Elektrolytenfilms erhöht. Infolgedessen schaltet sich das Fehlerflag an (7F), und die Fehlerbearbeitungseinheit 95 beendet den Spülvorgang zwingend (7G).
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Wenn zu Beginn des Spülvorgangs nur ein geringer Wassergehalt im Brennstoffzellenstapel 20 verbleibt und gelegentlich übermäßiges Trocknen durch den Spülvorgang verursacht wird, wird, als die ausfallsichere Ablaufsteuerung, gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Spülvorgang zwingenden beendet, wodurch das übermäßige Trocknen des Brennstoffzellenstapels 20 vermieden werden kann, und zusätzlich kann die Beschädigung und dergleichen des Brennstoffzellensystems 10 vermieden werden.
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Es ist anzumerken, dass ein Beispiel beschrieben wurde, in dem der Trocknungsgrad des Brennstoffzellenstapels 20 basierend auf der Abnahme der Zellenspannung beurteilt wird, aber der Trocknungsgrad des Brennstoffzellenstapels 20 kann basierend auf der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 (der Summe der entsprechenden Zellspannungen) beurteilt werden.
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In vorgenannter Ausführungsform wurde ein anwendbarer Aufbau, in dem das Brennstoffzellensystem 10 als eine kraftfahrzeugmontierte Leistungsquelle benutzt wird, veranschaulicht, aber der anwendbarer Aufbau des Brennstoffzellensystems 10 ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Zum Beispiel kann das Brennstoffzellensystem 10 als Leistungsquelle eines anderen beweglichen Körpers (eines Roboters, eines Schiffes, eines Flugzeugs oder dergleichen) als dem Brennstoffzellenfahrzeug montiert werden. Ferner kann das Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform als Energieerzeugungseinrichtung (ein stationäres Energieerzeugungssystem) eines Gehäuses, eines Gebäudes oder dergleichen genutzt werden.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Brennstoffzellensystem bereit gestellt werden, das in der Lage ist eine ausfallsichere Ablaufsteuerung durchzuführen, so dass eine Brennstoffzelle nicht übermäßig getrocknet wird.