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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 Prob lems, wurde in der offengelegten
japanischen Patentanmeldung Nr. 2002-246053 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.
- [Patentdokument 1] japanische
Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2002-246053
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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 Brennstoffzellenstapeles 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 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 vorbestimmte Zeitspanne
seit Beginn der Spülung verstrichen ist und der 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 durch geführt
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 speziell
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 Spülungsausfüh rungszeit 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
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 ein 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 Aus tausch 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 mechanisches
Druckminder ventil 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 Oxidationsgasdurchlass 34 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 verfingt, 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.
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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 eine hohe 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 = ∞)
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 % 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 Messwert speicher 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 zu 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 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.
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Zusammenfassung
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Ein
Brennstoffzellensystem beinhaltet: eine Wechselstrom impedanzmesseinheit 92,
die eine Wechselstromimpedanz einer Brennstoffzelle zu Beginn einer
Spülung misst und die die Wechselstromimpedanz einer Brennstoffzelle
zu einem Zeitpunkt, zu dem eine vorbestimmte Zeit seit Beginn der
Spülung verstrichen ist, misst; eine Spülungsausführungszeitbewertungseinheit 94,
die eine Spülungsausführungszeit basierend auf
der zu Beginn der Spülung gemessenen Wechselstromimpedanz,
der zu einem Zeitpunkt, zu dem die vorbestimmte Zeit seit dem Beginn
der Spülung verstrichen ist, gemessenen Wechselstromimpedanz
und der vorbestimmten Zeit veranschlagt; und eine Fehlerbearbeitungseinheit 95 die
einen Spülvorgang zwingend beendet, wenn eine 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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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2002-246053 [0003, 0003]