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Gebiet der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das ein zugeführtes Reaktionsgas empfängt, um Leistung zu erzeugen.
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Technischer Hintergrund
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Ein Brennstoffzellenstapel ist ein Energieumwandlungssystem, das ein Brenngas und ein Oxidationsgas zu einer Membran/Elektroden-Anordnung liefert, um eine elektrochemische Reaktion zu bewirken, wodurch chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Vor allem ein Brennstoffzellenstapel, der als Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel ausgebildet ist, kann leicht kostengünstig hergestellt werden, und außerdem weist er eine hohe Leistungsdichte auf, so dass die Nutzung des Stapels als on-board-Leistungsquelle in Fahrzeugen zu erwarten ist.
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In einer Gasleitung des Brennstoffzellenstapels bleiben gebildetes Wasser, das durch die elektrochemische Reaktion eines Reaktionsgases erzeugt wird, Befeuchtungswasser zum Befeuchten des Reaktionsgases und dergleichen zurück. Wenn die Leistungserzeugung unterbrochen wird, während dieses Wasser zurückbleibt, gefriert das zurückgebliebene Wasser in einer Umgebung, in der niedrige Temperaturen herrschen, die Diffusion des Reaktionsgases zur Membran/Elektroden-Anordnung wird verhindert, und das Startverhalten bei niedrigen Temperaturen ist schlechter. Angesichts dieses Problems wird in der japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung
JP 2002-246053 A ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem bei einer Betriebsunterbrechung ein Spülgas in den Brennstoffzellenstapel geschickt wird, um dort vorhandenes Wasser zu entfernen, und bei dem eine Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels gemessen wird, um den Trockenheitsgrad eines Elektrolytfilms zu beurteilen.
[Patentdokument 1] Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung
JP 2002-246053 A -
Offenbarung der Erfindung
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In einem Brennstoffzellensystem mit einer Schätzfunktion für eine Spülbehandlungsdauer auf der Basis einer Wechselstromimpedanz eines Brennstoffzellenstapels, die zum Spülungsbeginn gemessen wird und einer Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels, die zu einem Zeitpunkt gemessen wird, zu dem eine vorgegebene Zeit nach Spülungsbeginn vergangen ist, kann es jedoch vorkommen, dass eine Brennstoffzelle übertrocknet wird, falls die Wechselstromimpedanz zu einem Zeitpunkt, zu dem die vorgegebene Zeit seit Spülungsbeginn vergangen ist, nicht korrekt gemessen werden kann.
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Um dieses Problem zu lösen, ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Schaffung eines Brennstoffzellensystems, das in der Lage ist, eine Ausfallvermeidungsbehandlung durchzuführen, falls die Spülbehandlungsdauer nicht korrekt geschätzt werden kann.
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Um dieses Ziel zu erreichen, weist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung auf: eine Brennstoffzelle; eine Spüleinrichtung, die ein Spülgas zu der Brennstoffzelle liefert; eine AC- bzw. Wechselstromimpedanz-Messeinheit, die eine AC- bzw. Wechselstromimpedanz der Brennstoffzelle misst, wenn eine Spülung beginnt, und die eine Wechselstromimpedanz der Brennstoffzelle zu einem Zeitpunkt misst, zu dem eine vorgegebene Zeit seit Spülungsbeginn vergangen ist; eine Spülbehandlungsdauer-Schätzeinheit, die eine Spülbehandlungsdauer aufgrund der Wechselstromimpedanz, die zum Spülungsbeginn gemessen wird, der Wechselstromimpedanz, die zu dem Zeitpunkt gemessen wird, zu dem die vorgegebene Zeit nach Spülungsbeginn vergangen ist, und der vorgegebenen Zeit schätzt; und eine Fehlerbehandlungseinheit, die die Spülbehandlung zwangsweise beendet, wenn zu dem Zeitpunkt, zu dem die vorgegebene Zeit ab Spülungsbeginn vergangen ist, keine Wechselstromimpedanz gemessen wird.
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Falls die Wechselstromimpedanz zu dem Zeitpunkt, zu dem die vorgegebene Zeit ab Spülungsbeginn vergangen ist, nicht korrekt gemessen werden kann, kann die Spülbehandlungsdauer nicht exakt geschätzt werden, und es kann vorkommen, dass die Brennstoffzelle übertrocknet wird. In einem solchen Fall kann infolgedessen die Spülbehandlung zwangsweise beendet werden, um eine Übertrocknung zu verhindern.
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Hierbei schätzt die Spülbehandlungsdauer-Schätzeinheit die Spülbehandlungsdauer vorzugsweise anhand einer Interpolationsfunktion. Die zeitabhängige Änderung der Wechselstromimpedanz während der Spülbehandlung kann an eine spezifische Funktionskurve angenähert werden, so dass die Schätzungsgenauigkeit anhand der Interpolationsfunktion verbessert werden kann.
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Der Zeitpunkt, zu dem die vorgegebene Zeit ab Spülungsbeginn vergangen ist, kann ein Zeitpunkt sein, zu dem der absolute Wert der Temperaturänderungsrate der Brennstoffzelle kleiner wird als ein vorgegebener Schwellenwert, oder ein vorgegebener fester Zeitpunkt. Die Wechselstromimpedanz wird zu einem Zeitpunkt gemessen, zu dem der Wassergehalt in der Brennstoffzelle voraussichtlich so niedrig wie möglich geworden ist, wodurch die Schätzungsgenauigkeit der Spülbehandlungsdauer verbessert werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 ist eine Skizze des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
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2 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer Zelle;
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3 ist ein Ersatzschaltbild, das die elektrischen Kennwerte der Zelle zeigt;
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4 ist ein Graph, der eine Wechselstromimpedanz eines Brennstoffzellenstapels auf einer komplexen Ebene zeigt;
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5 ist ein Funktionsblockschema einer Steuereinheit, die mit der Spülbehandlung in Zusammenhang steht;
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6A ist ein Zeitschema, das den Ein/Aus-Zustand eines Zündschalters zeigt;
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6B ist ein Graph, der die Temperaturänderungsrate eines Brennstoffzellenstapels zeigt;
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6C ist ein Zeitschema eines Wechselstromimpedanz-Messbefehls, der an die Wechselstromimpedanz-Messeinheit ausgegeben wird;
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6D ist ein Zeitschema, das den Wert der Wechselstromimpedanz zeigt, der in einem Messwertspeicher hinterlegt ist;
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6E ist ein Zeitschema, das ein Fehlerbeendigungs-Flag zeigt, das gesetzt/abgesetzt wird;
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6F ist ein Zeitschema, das die Strömungsrate von Luft zeigt, die zum Brennstoffzellenstapel geliefert wird;
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7A ist ein Zeitschema, das den Ein/Aus-Zustand des Zündschalters zeigt;
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7B ist ein Graph, der die Temperaturänderungsrate des Brennstoffzellenstapels zeigt;
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7C ist ein Zeitschema, das den Wechselstromimpedanz-Messbefehl zeigt, der an die Wechselstromimpedanz-Messeinheit ausgegeben wird;
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7D ist ein Zeitschema, das den Wert der Wechselstromimpedanz zeigt, der im Messwertspeicher hinterlegt ist;
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7E ist ein Zeitschema, das ein Fehlerbeendigungs-Flag zeigt, das gesetzt/abgesetzt wird; und
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7F ist ein Zeitschema, das die Strömungsrate der Luft zeigt, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird.
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Beste Weise zur Ausführung der Erfindung
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
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1 zeigt den Systemaufbau eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
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Das Brennstoffzellensystem 10 dient als on-board-Leistungsquellensystem, das in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug eingebaut ist, und weist auf: einen Brennstoffzellenstapel 20, der zugeführtes Wasserstoffgas (ein Brenngas, ein Oxidierungsgas) empfängt, um Leistung zu erzeugen; ein Oxidierungsgas-Zufuhrsystem 30, das Oxidierungsgas in Form von Luft zum Brennstoffzellenstapel 20 liefert, ein Brenngas-Zufuhrsystem 40, das Brenngas in Form von Wasserstoffgas zum Brennstoffzellenstapel 20 liefert; ein Leistungssystem 50, das die Ladung/Entladung von Leistung steuert; ein Kühlsystem 60, das den Brennstoffzellenstapel 20 kühlt; und eine Steuereinheit (ECU) 90, die das gesamte System steuert.
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Der Brennstoffzellenstapel 20 ist als Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel ausgebildet, in dem eine Vielzahl von Zellen in Reihe gestapelt sind. In dem Brennstoffzellenstapel 20 läuft eine Oxidierungsreaktion der Formel (1) in einem Anodenpol ab, und eine Reduzierungsreaktion der Formel (2) läuft in einem Kathodenpol ab. Im gesamten Brennstoffzellenstapel 20 läuft eine elektromotorische Reaktion der Formel (3) ab. H2 → 2H+ + 2e– (1) (1/2)O2 + 2H+ + 2e– → H2O (2) H2 + (1/2)O2 → H2O (3)
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Am Brennstoffzellenstapel 20 sind ein Spannungssensor 71, der die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 erfasst, und ein Stromsensor 72, der einen Leistungserzeugungsstrom erfasst, angebracht.
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Das Oxidierungsgas-Zufuhrsystem 30 weist auf: eine Oxidierungsgasleitung 34, durch die das Oxidierungsgas strömt, das dem Kathodenpol des Brennstoffzellenstapels 20 zugeführt werden soll, und eine Oxidationsabgasleitung 36, durch die ein Oxidationsabgas strömt, das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 ausgeführt werden soll. Die Oxidierungsgasleitung 34 ist mit einem Luftkompressor 32, der das Oxidierungsgas durch einen Filter 31 hindurch aus der Atmosphäre holt, einem Befeuchter 33, der das Oxidierungsgas, das dem Kathodenpol des Brennstoffzellenstapels 20 zugeführt werden soll, befeuchtet, und mit einer Drosselklappe 35, welche die Menge des zugeführten Oxidierungsgases regelt, versehen. Die Oxidationsabgasleitung 36 ist mit einem Gegendruck-Regelventil 37, das einen Oxidierungsgas-Zufuhrdruck regelt, und mit dem Befeuchter 33 versehen, der einen Wassergehaltsaustausch zwischen dem Oxidierungsgas (einem trockenen Gas) und dem Oxidationsabgas (einem nassen Gas) durchführt.
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Das Brenngas-Zufuhrsystem 40 weist auf: eine Brenngas-Zufuhrquelle 41; eine Brenngasleitung 45, durch die das Brenngas strömt, das von der Brenngas-Zufuhrquelle 41 zum Anodenpol des Brennstoffzellenstapels 20 geliefert werden soll; eine Umwälzleitung 46, die ein Brennstoffabgas, das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 abgegeben wird, in die Brenngasleitung 45 zurückführt; eine Umwälzpumpe 47, die das Brennstoffabgas in der Umwälzleitung 46 unter Druck in eine Brenngasleitung 45 liefert; und eine Gas/Wasser-Abfuhrleitung 48, die von der Umwälzleitung 47 abzweigt und sich wieder mit ihr vereinigt.
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Die Brenngas-Zufuhrquelle 41 besteht beispielsweise aus einem Hochdruck-Wasserstofftank, einer Wasserstoff okkldudierenden Legierung oder dergleichen, und nimmt das Wasserstoffgas mit einem hohen Druck auf (z. B. 35 MPa bis 70 MPa). Wenn ein Sperrventil 42 geöffnet wird, wird das Brenngas aus der Brenngas-Zufuhrquelle 41 in die Brenngasleitung 45 abgegeben. Der Druck des Brenngases wird durch den Regler 43 und einen Injektor 44 beispielsweise auf etwa 200 kPa gesenkt, und das Gas wird dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Brenngas-Zufuhrquelle 41 aus einem Reformer, der ein wasserstoffreiches reformiertes Gas aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff bildet, und einem Hochdruck-Gastank bestehen kann, der das von diesem Reformer gebildete reformierte Gas in einen Hochdruckzustand bringt, um den Druck zu erhöhen.
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Der Regler 43 ist eine Einrichtung, die den stromaufwärtsseitigen Druck (den Primärdruck) des Reglers auf einen voreingestellten sekundären Druck regelt, und er besteht beispielsweise aus einem mechanischen Drucksenkungsventil oder dergleichen, das den Primärdruck senkt. Das mechanische Drucksenkungsventil weist ein Gehäuse auf, das mit einer Gegendruckkammer und einer Druckregulierungskammer, die über eine Membran ausgebildet sind, versehen ist, und ist so aufgebaut, dass der Primärdruck durch den Gegendruck der Gegendruckkammer auf einen vorgegebenen Druck gesenkt wird, um in der Druckregulierungskammer den sekundären Druck zu bilden.
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Der Injektor 44 ist ein Auf/Zu-Ventil, das als elektromagnetisch angesteuertes Ventil ausgebildet ist, in dem ein Ventilkörper für einen vorgegebenen Ansteuerungszeitraum direkt mit einer elektromagnetischen Antriebskraft angesteuert und von einem Ventilsitz gelöst wird, wodurch eine Gasströmungsrate oder ein Gasdruck geregelt werden können. Der Injektor 44 weist den Ventilsitz auf, der mit Düsenöffnungen versehen ist, die einen gasförmigen Brennstoff, wie das Brenngas, ausstoßen, und weist außerdem einen Düsenkörper, der den gasförmigen Brennstoff zu den Düsenöffnungen liefert und lenkt, und den Ventilkörper auf, der in einer axialen Richtung (einer Gasströmungsrichtung) beweglich in Bezug auf diesen Düsenkörper aufgenommen und gehalten wird, um die Düsenöffnungen zu öffnen und zu schließen.
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Die Gas/Wasser-Abfuhrleitung 48 ist mit einem Gas/Wasser-Abfuhrventil 49 versehen. Das Gas/Wasser-Abfuhrventil 49 arbeitet gemäß einem Befehl von der Steuereinheit 90, um das Verunreinigungen enthaltende Brennstoffabgas in der Umwälzleitung 46 und Feuchtigkeit abzuführen. Wenn das Gas/Wasser-Abfuhrventil 49 geöffnet wird, sinkt die Konzentration der Verunreinigungen im Brennstoffabgas der Umwälzleitung 46, und die Wasserstoffkonzentration im Brennstoffabgas, das durch ein Umwälzsystem zirkuliert, kann erhöht werden.
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Das durch das Gas/Wasser-Abfuhrventil 49 abgegebene Brennstoffabgas wird mit dem Oxidationsabgas gemischt, das durch die Oxidationsabgasleitung 36 strömt, und wird von einem (nicht dargestellten) Verdünner verdünnt. Die Umwälzpumpe 47 wird von einem Motor angetrieben, um das Brennstoffabgas des Umwälzsystems umzuwälzen und zum Brennstoffzellenstapel 20 zu liefern.
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Das Leistungssystem 50 weist einen DC/DC- bzw. Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51, eine Batterie 52, einen Traktionswechselrichter 53, einen Fahrmotor 54 und Hilfsmaschinen 55 auf. Der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 ist ein Leistungswandlungsmittel mit der Funktion, eine Gleichspannung, die von der Batterie 52 geliefert wird, umzuwandeln, um die Spannung an den Traktionswechselrichter 53 auszugeben, und mit der Funktion, eine Gleichstromleistung, die vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt wird, oder eine regenerative Leistung, die vom Fahrmotor 54 durch regeneratives Bremsen erzeugt wird, zu senken, um die Batterie 52 zu laden. Das Laden/Entladen der Batterie 52 wird von diesen Funktionen des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 51 gesteuert. Darüber hinaus wird ein Betriebspunkt (die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20 durch eine Spannungsumwandlungssteuerung des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 51 gesteuert.
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Die Batterie 52 dient als Speicherquelle für überschüssige Leistung, als Speicherquelle für regenerative Energie während des regenerativen Bremsens oder als Energiespeicher während einer Lastschwankung, die mit einer Beschleunigung oder Verlangsamung des Brennstoffzellen-Fahrzeugs einhergeht. Als Batterie 52 ist beispielsweise ein Nickel/Cadmium-Akku, ein Nickel/Wasserstoff-Akku oder eine sekundäre Batterie, wie eine sekundäre Lithiumbatterie, bevorzugt.
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Der Traktionswechselrichter 53 ist beispielsweise ein PWM-Wechselrichter, der von einem Pulsweiten-Modulationssystem angesteuert wird, und wandelt die Gleichspannung, die vom Brennstoffzellenstapel 20 oder der Batterie 52 ausgegeben wird, gemäß einem Steuerbefehl von der Steuereinheit 90 in eine Dreiphasen-Wechselspannung um, um das Drehmoment des Fahrmotors 54 zu steuern. Der Fahrmotor 54 ist beispielsweise ein Dreiphasen-Wechselstrommotor und besteht aus einer Leistungsquelle des Brennstoffzellenfahrzeugs.
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Die Hilfsmaschinen 55 schließen im Allgemeinen Motoren, die in Einheiten des Brennstoffzellensystems 10 angeordnet sind (z. B. Leistungsquellen für Pumpen und dergleichen), Wechselrichter zum Ansteuern dieser Motoren und jede Art von on-board-Hilfsmaschine (z. B. einen Luftkompressor, einen Injektor, eine Kühlwasser-Umwälzpumpe, einen Kühler oder dergleichen) ein.
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Das Kühlsystem 60 weist auf: Kühlmittelleitungen 61, 62, 63 und 64 zum Umwälzen eines Kühlmittels im Brennstoffzellenstapel 20; eine Umwälzpumpe 65 zum Zuführen des verdichteten Kühlmittels; einen Kühler 66 zum Durchführen eines Wärmetauschs zwischen dem Kühlmittel und der Außenluft; ein Dreiwegeventil 67 zum Umschalten eines Umwälzwegs des Kühlmittels; und einen Temperatursensor 74 zum Erfassen einer Kühlmitteltemperatur. Während eines Normalbetriebs nach Abschluss eines Aufwärmbetriebs wird das Öffnen und Schließen des Dreiwegeventils 67 derart gesteuert, dass das Kühlmittel, das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 abgegeben wird und durch die Kühlmittelleitungen 61, 64 strömt, vom Kühler 66 gekühlt wird und dann durch die Kühlmittelleitung 63 erneut in den Brennstoffzellenstapel 20 strömt. Dagegen wird während des Aufwärmbetriebs unmittelbar nach dem Systemstart das Öffnen und Schließen des Dreiwegeventils 67 derart gesteuert, dass das Kühlmittel, das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 abgegeben wird, durch die Kühlmittelleitungen 61, 62 und 63 strömt, um erneut in den Brennstoffzellenstapel 20 zu strömen.
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Die Steuereinheit 90 ist ein Computersystem, das eine CPU, einen ROM, einen RAM, eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle und dergleichen aufweist, und dient als Steuermittel zum Steuern der Einheiten (des Oxidierungsgas-Zufuhrsystems 30, des Brenngas-Zufuhrsystems 40, des Leistungssystems 50 und des Kühlsystems 60) des Brennstoffzellensystems 10. Beispielsweise startet die Steuereinheit 90 bei Empfang eines Startsignals IG, das von einem Zündschalter ausgegeben wird, den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10, um die geforderte Leistung des gesamten Systems auf der Basis eines Beschleunigungselement-Öffnungsgradsignals ACC, das von einem Beschleunigungselementsensor ausgegeben wird, eines Fahrzeug-Geschwindigkeitssignals VC, das von einem Fahrzeug-Geschwindigkeitssensor ausgegeben wird, und dergleichen zu ermitteln.
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Die geforderte Leistung des gesamten Systems ist ein Gesamtwert aus einer Fahrzeug-Fahrleistung und einer Hilfsmaschinenleistung. Die Hilfsmaschinenleistung schließt ein: eine Leistung, die von einer on-board-Hilfsmaschine (dem Befeuchter, dem Luftkompressor, der Wasserstoffpumpe, der Kühlwasser-Umwälzpumpe oder dergleichen) verbraucht wird, eine Leistung, die von einer Einrichtung (einer Gangschaltung, einer Radsteuereinrichtung, einer Lenkeinrichtung, einer Aufhängungseinrichtung oder dergleichen), die für das Fahren des Fahrzeugs notwendig ist, verbraucht wird, eine Leistung, die von einer Einrichtung, die in einem Insassenraum angeordnet ist (einer Klimaanlage, einer Beleuchtungseinrichtung, einer Audioeinrichtung oder dergleichen), verbraucht wird, und dergleichen.
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Darüber hinaus bestimmt die Steuereinheit 90 die Verteilung der Ausgangsleistungen des Brennstoffzellenstapels 20 und der Batterie 52, berechnet einen Leistungserzeugungs-Befehlswert und steuert das Oxidierungsgas-Zufuhrsystem 30 und das Brenngas-Zufuhrsystem 40 so, dass die Menge der Leistung, die vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt werden soll, mit einer Soll-Leistung übereinstimmt. Ferner steuert die Steuereinheit 90 den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51, um die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 zu regeln, wodurch der Betriebspunkt (die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20 gesteuert wird. Um die Soll-Fahrzeuggeschwindigkeit, die einem Beschleunigungselement-Öffnungsgrad entspricht, zu erreichen, gibt die Steuereinheit 90 beispielsweise U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasenwechselspannungs-Befehlswerte als Schaltbefehle an den Traktionswechselrichter 53 aus und steuert ein Ausgangsdrehmoment und eine Drehzahl des Fahrmotors 54.
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2 ist eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer Zelle 21, die Bestandteil des Brennstoffzellenstapels 20 ist.
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Die Zelle 21 besteht aus einem Elektrolytfilm 22, einem Anodenpol 23, einem Kathodenpol 24 und aus Separatoren 26, 27. Der Anodenpol 23 und der Kathodenpol 24 sind Diffusionselektroden, die zu beiden Seiten am Elektrolytfilm 22 anliegen, um eine Sandwich-Struktur zu bilden. Die Separatoren 26, 27, die aus gasdurchlässigen leitfähigen Elementen bestehen, liegen ferner an beiden Seiten dieser Sandwich-Struktur an, während Leitungen für das Brenngas und das Oxidierungsgas zwischen dem Anodenpol 26a und dem Kathodenpol 24 ausgebildet sind. Der Separator 26 ist mit Rippen versehen, die Eintiefungsabschnitte aufweisen. Der Anodenpol 23 liegt an den Rippen 26a an, um Öffnungen der Rippen 26a zu schließen, wodurch eine Brenngasleitung gebildet wird. Der Separator 27 ist mit Rippen 27a versehen, die Eintiefungsabschnitte aufweisen. Der Kathodenpol 24 liegt an den Rippen 27a an, um Öffnungen der Rippen 27a zu schließen, wodurch eine Oxidierungsgasleitung gebildet wird.
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Der Anodenpol 23 weist auf: eine Katalysatorschicht 23a, die als Hauptkomponente ein Kohlenstoffpulver aufweist, welches einen Metallkatalysator auf Platinbasis (Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ru oder dergleichen) trägt, wobei die Katalysatorschicht mit dem Elektrolytfilm 22 in Kontakt kommt; und eine Gasdiffusionsschicht 23b, die auf der Oberfläche der Katalysatorschicht 23a ausgebildet ist und die sowohl gasdurchlässig als auch elektronenleitfähig ist. Ebenso weist der Kathodenpol 24 eine Katalysatorschicht 24a und eine Gasdiffusionsschicht 24b auf. Genauer wird, was die Katalysatorschichten 23a, 24a betrifft, das Kohlenstoffpulver, das Platin oder eine Legierung aus Platin und einem anderen Metall trägt, in einem geeigneten organischen Lösungsmittel dispergiert, und eine Elektrolytlösung wird in einer angemessenen Menge zugegeben, gepastet und mittels Siebdruck auf den Elektrolytfilm 22 aufgebracht. Die Gasdiffusionsschichten 23b, 24b werden aus Kohlenstofftuch, in das ein Faden aus Kohlenstofffaser eingewebt ist, aus Kohlepapier oder Kohlenstofffilz gebildet. Der Elektrolytfilm 22 ist eine protonenleitfähige Ionentauschermembran, die aus einem festen Polymermaterial, beispielsweise einem Harz auf Fluorbasis, gebildet ist und die im nassen Zustand eine zufriedenstellende elektrische Leitfähigkeit aufweist. Der Elektrolytfilm 22, der Anodenpol 23 und der Kathodenpol 24 bilden eine Membran/Elektroden-Anordnung 25.
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3 ist ein Ersatzschaltungsbild, das die elektrischen Kennzahlen der Zelle 21 zeigt.
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Die Ersatzschaltung der Zelle 21 weist einen Schaltungsaufbau auf, wo R1 in Reihe mit einem Schaltkreis verbunden ist, in dem R2 und C zueinander parallel geschaltet sind. Hierbei entspricht R1 einem elektrischen Widerstand des Elektrolytfilms 22, und R2 entspricht einem Widerstand, in den eine Aktivierungsüberspannung und eine Diffusionsüberspannung umgewandelt werden. C entspricht einer elektrischen Doppelschichtkapazität, die an einer Grenzfläche zwischen dem Anodenpol 23 und dem Elektrolytfilm 22 und an einer Grenzfläche zwischen dem Kathodenpol 24 und dem Elektrolytfilm 22 ausgebildet ist. Wenn ein sinusförmiger Strom mit einer vorgegebenen Frequenz an diese Ersatzschaltung angelegt wird, ist das Ansprechen der Schaltung in Bezug auf die Änderung des Stroms verzögert.
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4 ist ein Graph, der die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 20 auf einer komplexen Ebene zeigt. Die Abszisse zeigt einen realen Teil der Wechselstromimpedanz an, und die Ordinate zeigt einen imaginären Teil der Wechselstromimpedanz an. ω ist die Winkelfrequenz des sinusförmigen Stroms.
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Wenn ein sinusförmiges Signal mit einer hohen bis niedrigen Frequenz an die in 3 dargestellte Ersatzschaltung angelegt wird, wird der in 4 dargestellte Graph erhalten. Die Wechselstromimpedanz in einem Fall, wo die Frequenz des sinusförmigen Signals unendlich hoch ist (ω = ∞) wird durch R1 dargestellt. Die Wechselstromimpedanz in einem Fall, wo die Frequenz des sinusförmigen Signals sehr niedrig ist (ω = ∞) wird durch R1 + R2 dargestellt. Die Wechselstromimpedanz, die in einem Fall erhalten wird, wenn die Frequenz des sinusförmigen Signals zwischen der hohen Frequenz und der niedrigen Frequenz gewechselt wird, beschreibt einen Halbkreis, wie in 4 dargestellt.
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Wenn eine solche Wechselstromimpedanz-Behandlung angewendet wird, können R1 und R2 in der Ersatzschaltung des Brennstoffzellenstapels 20 jeweils für sich allein gemessen werden. Wenn R1 größer ist als ein vorgegebener Wert, und die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 20 sinkt, trocknet der Elektrolytfilm 22, wodurch die Widerstandsüberspannung steigt, und es kann gefolgert werden, dass das Absinken der Leitfähigkeit ein Grund für die Abnahme der Ausgangsleistung ist. Wenn R2 größer ist als ein vorgegebener Wert, und die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 20 sinkt, ist ein Überschuss an Wasser auf den Oberflächen der Elektroden vorhanden, und es kann gefolgert werden, dass die Zunahme der Diffusionsüberspannung der Grund dafür ist.
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5 ist ein Funktionsblockschema der Steuereinheit 90, die mit der Spülbehandlung in Zusammenhang steht.
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Die Steuereinheit 90 weist eine Spannungsbefehlseinheit 91, eine Wechselstromimpedanz-Messeinheit 92, einen Messwertspeicher 93, eine Spülungsausführungszeit-Schätzeinheit 94 und eine Fehlerbehandlungseinheit 95 auf, und diese Einheiten arbeiten zusammen, um als Spülungssteuermittel zu fungieren.
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Die Wechselstromimpedanz-Messung des Brennstoffzellenstapels 20 durch die Steuereinheit 90 wird anhand des folgenden Verfahrens durchgeführt.
- (1) Die Spannungsbefehlseinheit 91 legt das sinusförmige Signal über eine vorgegebene Gleichspannung, um einen Spannungsbefehlswert zu erzeugen, um diesen Spannungsbefehlswert an den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 auszugeben.
- (2) Der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 51 arbeitet auf der Basis des Spannungsbefehlswerts und wandelt die in der Batterie 52 akkumulierte Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung um, um das sinusförmige Signal an den Brennstoffzellenstapel 20 anzulegen.
- (3) Die Wechselstromimpedanz-Messeinheit 92 tastet eine Ansprechspannung, die vom Spannungssensor 71 erfasst wird, und einen Ansprechstrom, der vom Stromsensor 72 erfasst wird, mit einer vorgegebenen Abtastrate ab, führt eine schnelle Fourier-Transformationsbehandlung (FFT-Behandlung) durch, teilt die Ansprechspannung und den Ansprechstrom jeweils in reale Komponenten und imaginäre Komponenten auf, teilt die Ansprechspannung, die der FFT-Behandlung unterzogen wurde, durch den Ansprechstrom, der der FFT-Behandlung unterzogen wurde, um die reale Komponente und die imaginäre Komponente der Wechselstromimpedanz zu berechnen, und berechnet einen Abstand Γ und einen Phasenwinkel θ aus einem Ursprung der komplexen Ebene. Wenn die Ansprechspannung und der Ansprechstrom gemessen werden, während die Frequenz des sinusförmigen Signals, das an den Brennstoffzellenstapel 20 angelegt wird, ständig geändert wird, kann die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 20 berechnet werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass der Strom, der durch den Brennstoffzellenstapel 20 strömt, die Bewegung einer Ladung aufgrund einer chemischen Reaktion beinhaltet. Wenn die Amplitude eines Wechselstromsignals erhöht wird, schwankt daher ein Reaktionsumfang (ein Gasnutzungsverhältnis) in Bezug auf die Menge des zugeführten Gases. Wenn das Gasnutzungsverhältnis schwankt, wird manchmal ein Fehler bei der Messung der Wechselstromimpedanz erzeugt. Infolgedessen ist die Wechselstromkomponente des Signals, das während der Messung der Wechselstromimpedanz an den Brennstoffzellenstapel 20 angelegt wird, vorzugsweise etwa einige % der Gleichstromkomponente.
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Die Wechselstromimpedanz-Messeinheit 92 speichert den Wert der Wechselstromimpedanz, die wie oben beschrieben gemessen wurde, im Messwertspeicher 93. Die Spülbehandlungsdauer-Schätzeinheit 94 schätzt eine Spülbehandlungsdauer auf der Basis des Wertes der Wechselstromimpedanz, der im Messwertespeicher 93 hinterlegt wurde. Wenn die Wechselstromimpedanz nicht korrekt gemessen werden kann, führt die Fehlerbehandlungseinheit 95 eine Fehlerbehandlung (eine Behandlung, welche die Spülbehandlung zwangsweise beendet) als Ausfallvermeidungsbehandlung durch.
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Nun werden Einzelheiten der Spülbehandlung mit Bezug auf 6A bis 6F beschrieben.
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6A zeigt den Ein/Aus-Zustand eines Zündschalters, 6B zeigt die Temperaturänderungsrate des Brennstoffzellenstapels 20, 6C zeigt einen Wechselstromimpedanz-Messbefehl, der an die Wechselstromimpedanz-Messeinheit 92 ausgegeben wird, 6D zeigt den Wert der Wechselstromimpedanz, der im Messwertespeicher 93 hinterlegt ist, 6E zeigt ein Fehlerbeendigungs-Flag, und 6F zeigt die Strömungsrate von Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt wird.
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Wenn der Zündschalter zum Zeitpunkt t1 auf Aus gestellt wird, weist der Brennstoffzellenstapel 20 vor dem Zeitpunkt t1 einen Leistungserzeugungsstatus auf, und der Wechselstromimpedanz-Messbefehl wird in einem festen Zyklusintervall an die Wechselstromimpedanz-Messeinheit 92 ausgegeben. Dabei wird der Wert der Wechselstromimpedanz, der im Messwertespeicher 93 hinterlegt ist, sukzessive auf den neuesten Wert aktualisiert (6D). Darüber hinaus wird die Strömungsrate der Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt wird, auf eine Strömungsrate F1 gesteuert, die einer Leistungserzeugungsforderung entspricht (6F).
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Wenn der Zündschalter zum Zeitpunkt t1 auf Aus gestellt wird, und die Steuereinheit 90 den Befehl erhält, den Betrieb zu unterbrechen, speichert die Steuereinheit 90 einen Wechselstromimpedanzwert Z1, der zum Zeitpunkt t1 gemessen wird, im Messwertespeicher 93, um die Ausführung der Spülbehandlung zu beginnen. Die Spülbehandlung ist eine Behandlung, bei der der Luftkompressor 32 als Spüleinrichtung angesteuert wird und die es erlaubt, dass unter Druck stehende Luft als Spülgas durch einen Gaskanal im Brennstoffzellenstapel 20 strömt, wodurch ein Feuchtigkeitszustand im Gaskanal auf angemessene Weise reguliert wird. Wenn ein großer Wassergehalt im Gaskanal zurückbleibt, ist das Startverhalten beim nächsten Start schlechter, und in einer Niedrigtemperaturumgebung kann es außerdem passieren, dass Rohre, Ventile und dergleichen aufgrund des gefrierenden Wassergehalts versagen. Wenn der Brennstoffzellenstapel 20 dagegen einen zu geringen Wassergehalt aufweist, sinkt die Leitfähigkeit des Elektrolytfilms 22, wodurch eine Abnahme des Leistungserzeugungsvermögens bewirkt wird. Infolgedessen setzt die Spülbehandlung des Brennstoffzellenstapels 20 die Wechselstromimpedanz zu einer Zeit, zu der das Innere des Brennstoffzellenstapels 20 einen optimalen Feuchtigkeitszustand erreicht, vorab als Soll-Wechselstromimpedanz Z3 und regelt die Spülbehandlungsdauer so, dass die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 20 mit der Soll-Wechselstromimpedanz Z3 übereinstimmt. Die Strömungsrate der Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 20 während der Ausführung der Spülbehandlung zugeführt wird, wird auf eine Spülströmungsrate F2 gesteuert (6F).
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Darüber hinaus wird berücksichtigt, dass zu einem Zeitpunkt t2, zu dem der absolute Wert der Temperaturänderungsrate des Brennstoffzellenstapels 20 unter einen Schwellenwert Vt fällt, die Menge an verdampftem Wasser im Brennstoffzellenstapel 20 gesättigt ist, um einen angemessenen Trockenheitszustand zu erreichen, und somit wird der Wechselstromimpedanz-Messbefehl an die Wechselstromimpedanz-Messeinheit 92 ausgegeben (6C). Dann misst die Steuereinheit 90 eine Wechselstromimpedanz Z2 des Brennstoffzellenstapels 20 zum Zeitpunkt t2 und aktualisiert den letzten Wechselstromimpedanzwert, der im Messwertespeicher 93 hinterlegt wurde, von Z1 auf Z2. Unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Schätzgenauigkeit der Spülbehandlungsdauer ist der Zeitpunkt t2 vorzugsweise ein Zeitpunkt, zu dem der Wassergehalt im Brennstoffzellenstapel 20 voraussichtlich so weit wie möglich gesunken ist. Beispielsweise wird die Messung der Wechselstromimpedanz vorzugsweise zu dem Zeitpunkt durchgeführt, zu dem der absolute Wert der Temperaturänderungsrate des Brennstoffzellenstapels 20 unter den vorgegebenen Schwellenwert fällt, wie oben beschrieben, oder zu dem Zeitpunkt, zu dem ein vorgegebener Wert (eine feste Zeit) seit Beginn der Spülbehandlung vergangen ist.
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Die Spülbehandlungsdauer-Schätzeinheit 94 schätzt eine Spülbehandlungsdauer T2, die erforderlich ist, damit die Wechselstromimpedanz mit der Soll-Wechselstromimpedanz Z3 übereinstimmt, mittels einer Interpolationsfunktion CF auf der Basis der Wechselstromimpedanz Z1, die zum Zeitpunkt t1 gemessen wird, der Wechselstromimpedanz Z2, die zum Zeitpunkt t2 gemessen wird, und einer Zeit T1, die ab dem Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 vergangen ist.
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Die Interpolationsfunktion CF ist eine Funktion, die eine Soll-Koordinate (t3, Z3) auf der Basis mindestens zweier Messkoordinaten, beispielsweise (t1, Z1) und (t2, Z2) schätzt, und wird durch Versuche oder dergleichen erhalten. Als Interpolationsfunktion CF ist beispielsweise eine quadratische Funktion bevorzugt. Beispiele für die quadratische Funktion sind unter anderem Z = at2 + Z0, wobei t der Zeitpunkt ist, Z die Wechselstromimpedanz ist und a und Z0 positive Konstanten sind. Wenn zwei Messkoordinaten in die quadratische Funktion eingesetzt werden, werden die Werte der Konstanten a und Z0 bestimmt. Die Lösung für t zu einem Zeitpunkt, zu dem Z = Z3, ist ein Spülungsvollendungs-Zeitpunkt t3. Die Spülbehandlungsdauer T2 kann als Spülbehandlungsdauer T2 = Spülungsvollendungs-Zeitpunkt t3 – Spülungsstart-Zeitpunkt t1 berechnet werden. Die Wechselstromimpedanz-Messeinheit 92 beendet die Spülbehandlung zum Zeitpunkt t3 (6F).
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Nun wird eine Ausfallvermeidungsbehandlung in einem Fall, wo ein derartiger Fehler auftritt, dass die Spülbehandlungsdauer nicht exakt geschätzt werden kann, mit Bezug auf 7A bis 7F beschrieben.
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Die Spülbehandlung wird zum Zeitpunkt t1 gestartet, und der Wechselstromimpedanz-Messbefehl wird zum Zeitpunkt t2, zu dem der absolute Wert der Temperaturänderungsrate des Brennstoffzellenstapels 20 unter den Schwellenwert Vt fällt (7C), an die Wechselstromimpedanz-Messeinheit 92 ausgegeben. Wenn die Wechselstromimpedanz zu diesem Zeitpunkt wegen irgendeines Faktors (z. B. des Einflusses von Rauschen oder dergleichen) nicht korrekt gemessen werden kann, wird ein Fehler-Flag gesetzt (7E), und die Fehlerbehandlungseinheit 95 beendet die Spülbehandlung zwangsweise (7F).
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird in einem Fall, wo ein derartiger Fehler auftritt, dass die Spülbehandlungsdauer nicht exakt geschätzt werden kann, oder wenn das System in einen solchen Zustand fällt, dass die Wechselstromimpedanz nicht gemessen werden kann, als Ausfallvermeidungsbehandlung die Spülbehandlung zwangsweise beendet, wodurch das Übertrocknen des Brennstoffzellenstapels 20 und eine Beschädigung oder dergleichen des Brennstoffzellensystems 10 vermieden werden kann.
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In der oben beschriebenen Ausführungsform wurde eine Nutzungskonfiguration beschrieben, bei der das Brennstoffzellensystem 10 als on-board-Leistungsquellensystem eines Fahrzeugs verwendet wird, aber die Nutzungskonfiguration des Brennstoffzellensystems 10 ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem 10 als Leistungsquelle eines mobilen Körpers (eines Roboters, eines Flugzeugs oder dergleichen), bei dem es sich nicht um ein Brennstoffzellen-Fahrzeug handelt, verwendet werden. Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform als Leistungserzeugungsanlage (als stationäres Leistungserzeugungssystem) eines Wohnhauses, eines Wirtschaftsgebäudes oder dergleichen verwendet werden.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Brennstoffzellensystem geschaffen werden, das in der Lage ist, eine Ausfallvermeidungsbehandlung in einem Fall durchzuführen, wo eine Spülbehandlungsdauer nicht exakt geschätzt werden kann.
