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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das zur
Erzeugung einer Leistung ein zugeführtes Reaktionsgas aufnimmt.
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Technischer Hintergrund
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Bei
einem Brennstoffzellenstapel handelt es sich um ein Energieumwandlungssystem
zum Zuführen eines Brenngases und eines Oxidationsgases
zu einer Membranelektrodenanordnung, um eine elektrochemische Reaktion
zu bewirken, durch die chemische Energie in elektrische Energie
umgewandelt wird. Insbesondere kann ein Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel,
in dem als ein Elektrolyt ein Festpolymerfilm verwendet wird, ohne
Weiteres bei geringem Kostenaufwand gefertigt werden, und er weist
zudem eine hohe Leistungsabgabedichte auf, so dass die Anwendung
des Stapels höchstwahrscheinlich eine solche als fahrzeugmontierte Leistungsquelle
ist.
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In
einer Gasleitung des Brennstoffzellenstapels bleiben ein durch die
elektrochemische Reaktion eines Reaktionsgases erzeugtes Wasser,
ein Befeuchtungswasser zum Befeuchten des Reaktionsgases und dergleichen
zurück. Wird die Leistungserzeugung gestoppt, während
dieser Wasserrückstand im System verbleibt, gefriert der
Wasserrückstand in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen,
es wird verhindert, dass das Reaktionsgas durch die Membranelektrodenanordnung
diffundieren kann, und es kann unter niedrigen Temperaturen zu einer
Verschlechterung der Starteigenschaften des Systems kommen. Angesichts
dieses Problems ist der
japanischen
Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift 2002-246053 eine Technologie
zu entnehmen, bei der dem Brennstoffzellenstapel bei Betriebsstillstand ein
Spülgas zugeführt wird, um ein in demselben enthaltenes
Wasser zu entfernen, und bei der ein Wechselstromwiderstand des
Brenn stoffzellenstapels gemessen wird, um den Trockenheitsgrad eines
elektrolytischen Films zu beurteilen.
[Patentschrift 1]
Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift
2002-246053 -
Offenbarung der Erfindung
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In
einem Brennstoffzellensystem mit einer Funktion zum Abschätzen
einer Spülvorgangs-Ausführzeit basierend auf einem
Wechselstromwiderstand eines Brennstoffzellenstapels, der beim Start eines
Spülvorgangs gemessen wird, und einem Wechselstromwiderstand
des Brennstoffzellenstapels, der zu einer Zeit gemessen wird, wenn
seit dem Start des Spülvorgangs eine vorbestimmte Zeit
verstrichen ist, tritt in einem Fall, wo in einer Brennstoffzelle
zum Start des Spülvorgangs ein hoher Gehalt an Wasser zurückgeblieben
ist, dahingehend ein Nachteil auf, dass der Brennstoffzellenstapel
während der Ausführung des Spülvorgangs
nicht ausreichend getrocknet werden kann.
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Zur
Lösung des vorstehenden Problems ist es eine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen,
das in der Lage ist, den Wassergehalt in einer Brennstoffzelle in
Vorbereitung auf den nächsten Startvorgang möglichst stark
zu verringern.
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Zur
Lösung der vorstehenden Aufgabe weist ein Brennstoffzellensystem
gemäß der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle;
eine Spülvorrichtung, die der Brennstoffzelle ein Spülgas
zuführt; eine Wechselstromwiderstands-Messeinheit, die
einen Wechselstromwiderstand der Brennstoffzelle bei einem Start
des Spülvorgangs misst, und die einen Wechselstromwiderstand
der Brennstoffzelle zu einer Zeit misst, wenn eine vorbestimmte
Zeit seit dem Start des Spülvorgangs verstrichen ist; eine
Spülvorgangs-Ausführzeit-Abschätzungseinheit,
die eine Spülvorgangs-Ausführzeit basierend auf
dem beim Start des Spülvorgangs gemessenen Wechselstromwiderstand,
dem Wechselstromwiderstand, der zu der Zeit gemessen wird, wenn
die vorbestimmte Zeit seit dem Start des Spülvorgangs verstrichen
ist, und der vorbestimmten Zeit abschätzt; und eine Begrenzungseinheit,
die die Spülvorgangs-Ausführzeit auf eine vorbestimmte maximale
Spülzeit begrenzt, wenn die Spülvorgangs-Ausführzeit
die maximale Spülvorgangszeit überschreitet.
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In
einem Fall, wo in der Brennstoffzelle beim Start des Spülvorgangs
ein hoher Wassergehalt zurückgeblieben ist, wird eine Spülvorgangsverarbeitung
vorgenommen, bis die Spülvorgangs-Ausführzeit
die maximale Spülvorgangszeit erreicht hat, wodurch der
Wassergehalt in der Brennstoffzelle in Vorbereitung auf den nächsten
Startvorgang möglichst stark reduziert werden kann.
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Hier
wird durch die Spülvorgangs-Ausführzeit-Abschätzungseinheit
die Spülvorgangs-Ausführzeit vorzugsweise durch
Verwenden einer Interpolationsfunktion abgeschätzt. Die
Veränderung des Wechselstromwiderstands im Zeitverlauf
während der Spülvorgangsverarbeitung kann einer
spezifischen Funktionskurve angenähert werden, so dass eine
Abschätzungsgenauigkeit durch Verwendung der Interpolationsfunktion
verbessert werden kann.
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Die
Zeit, wenn die vorbestimmte Zeit seit dem Start des Spülvorgangs
verstrichen ist, kann eine Zeit sein, wenn der absolute Wert der
Temperaturveränderungsrate der Brennstoffzelle einen vorbestimmten
Schwellwert unterschritten hat, oder eine vorbestimmte feststehende
Zeit sein. Der Wechselstromwiderstand wird zu einer Zeit gemessen,
wenn vorherzustehen ist, dass der Wassergehalt in der Brennstoffzelle
möglichst stark abnehmen wird, wodurch die Abschätzungsgenauigkeit
der Spülvorgangs-Ausführzeit verbessert werden
kann.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 ist
ein Aufbaudiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß der
vorliegenden Ausführungsform;
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2 ist
eine perspektivische Explosionsansicht einer Zelle;
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3 ist
ein Ersatzschaltdiagramm, das die elektrischen Eigenschaften der
Zelle darstellt;
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4 ist
ein Graph, der einen Wechselstromwiderstand eines Brennstoffzellenstapels
auf einer komplexen Ebene darstellt;
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5 ist
ein funktionelles Blockdiagramm einer Steuerungseinheit in Verbindung
mit einer Spülvorgangsverarbeitung;
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6 ist
ein Graph, der die Veränderungen des Wechselstromwiderstands
im Zeitverlauf darstellt;
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7 ist
eine Graph, der die Veränderungen des Wechselstromwiderstands
im Zeitverlauf darstellt; und
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8 ist
ein Graph, der die Veränderungen des Wechselstromwiderstands
im Zeitverlauf darstellt.
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Beste Art und Weise zum Ausführen
der Erfindung
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Nachstehend
erfolgt unter Bezugnahme auf die Zeichnung eine Beschreibung einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt
einen Systemaufbau eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß der
vorliegenden Ausführungsform.
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Das
Brennstoffzellensystem 10 funktioniert als ein an einem
Auto montiertes Leistungsquellensystem, das an einem Brennstoffzellenfahrzeug
angebracht ist, und beinhaltet einen Brennstoffzellenstapel 20,
der ein zugeführtes Wasserstoffgas (ein Brenngas, ein Oxidationsgas)
aufnimmt, um eine Leistung zu erzeugen; ein Oxidationsgas-Zuführsystem 30,
um dem Brennstoffzellenstapel 20 Luft als Oxidationsgas
zuzuführen; ein Brenngas-Zuführsystem 40,
um dem Brennstoffzellenstapel 20 ein Wasser stoffgas als
das Brenngas zuzuführen; ein Leistungssystem 50 zum
Steuern der Ladung/Entladung der Leistung; ein Kühlsystem 60 zum
Kühlen des Brennstoffzellenstapels 20; und eine
Steuerungseinheit (ECU) 90, die das gesamte System steuert.
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Bei
dem Brennstoffzellenstapel 20 handelt es sich um einen
Festpolymerelektrolyt-Zellenstapel in dem eine Mehrzahl von Zellen
in aneinander gestapelt sind. In dem Brennstoffzellenstapel 20 tritt
gemäß einer Formel (1) in einem Anodenpol eine
Oxidationsreaktion auf, und gemäß einer Formel
(2) tritt in einem Kathodenpol eine Reduktionsreaktion auf. In dem
gesamten Brennstoffzellenstapel 20 läuft gemäß einer
Formel (3) eine elektromotorische Reaktion ab. 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 zum
Erfassen der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 und
ein Stromsensor 72 zum Erfassen eines Leistungserzeugungsstroms
angebracht.
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Das
Oxidationsgas-Zuführsystem 30 weist eine Oxidationsgasleitung 34 auf,
durch die das dem Kathodenpol des Brennstoffzellenstapels 20 zuzuführende
Oxidationsgas strömt, und eine Oxidationsabgasleitung 36,
durch die ein Oxidationsabgas bzw. Oxidizing-Offgas strömt,
das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeführt
wird. Die Oxidationsgasleitung 34 ist mit einem Luftkompressor 32 versehen, der
das Oxidationsgas durch ein Filter 31 aus der Atmosphäre
aufnimmt, einer Befeuchtungseinrichtung 33, die das dem
Kathodenpol des Brennstoffzellenstapels 20 zuzuführende
Oxidationsgas befeuchtet, und einem Drosselventil 35 zum
Regulieren der zuzuführenden Oxidationsgasmenge. Die Oxidationsabgasleitung 36 ist
mit einem Gegendruck-Regulierventil 37 zum Regulieren eines
Oxidationsgaszuführdrucks und der Befeuchtungseinrichtung 33 versehen,
die einen Wassergehaltsaustausch zwischen dem Oxidationsgas (einem
trockenen Gas) und dem Oxidationsabgas (einem feuchten Gas) ausführt.
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Das
Brenngaszuführsystem 40 weist eine Brenngaszuführquelle 41 auf;
eine Brenngasleitung 45, durch die das aus der Brenngaszuführquelle 41 dem
Anodenpol des Brennstoffzellenstapels 20 zuzuführende
Brenngas strömt; eine Umwälzleitung 46 zum
Rückführen eines aus dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeführten
Brennstoff-Abgases bzw. Fuel-Offgas zur Brenngasleitung 45;
eine Umwälzpumpe 47, die einer Brenngasleitung 43 das
Brennstoff-Abgas in der Umwälzleitung 46 unter
Druck stehend zuführt; und eine Gas-/Wasser-Abführleitung 48,
die von der Umwälzleitung 47 abzweigt und mit dieser
verbunden ist.
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Die
Brenngaszuführquelle 41 besteht beispielsweise
aus einem Hochdruck-Wasserstofftank, einer Wasserstoffeinlagerungslegierung
oder ähnlichem und nimmt das Wasserstoffgas unter hohem Druck
stehend auf (z. B. 35 MPa bis 70 MPa). Wenn ein Blockventil 42 geöffnet
wird, wird das Brenngas aus der Brenngaszuführquelle 41 zur
Brenngasleitung 45 abgeführt. Der Druck des Brenngases
wird durch den Regler 43 und eine Einspritzdüse 44 auf beispielsweise
200 kPa reduziert, und das Gas wird dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt.
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Es
ist zu beachten, dass die Brenngaszuführquelle 41 aus
einer Reformiereinrichtung bestehen kann, die aus einem Brennstoff
auf Kohlenwasserstoffbasis ein wasserstoffreiches reformiertes Gas bildet,
und einem Hochdruck-Gastank, der das durch diese Reformiereinrichtung
gebildete reformierte Gas in einen Hochdruckzustand versetzt, um
so Druck aufzubauen.
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Bei
dem Regler 43 handelt es sich um eine Vorrichtung, die
den stromauf befindlichen Druck (den Primärdruck) des Reglers
auf einen voreingestellten Sekundärdruck regelt, und die
aus beispielsweise einem mechanischen Druckreduktionsventil oder ähnlichem
besteht, das den Primärdruck verringert. Das mechanische
Druckreduktionsventil weist ein Gehäuse auf, das mit einer
Gegendruckkammer und einer Druckregulierkammer ausgestattet ist,
die über eine Membran ausgebildet sind, und das so konstruiert,
dass der Primärdruck durch den Gegendruck der Gegendruckkammer
auf einen vorbestimmten Druck verringert wird, um den Sekundärdruck
in der Druckregulierkammer zu bilden.
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Bei
der Einspritzdüse 44 handelt es sich um ein Öffnungs-/Schließventil
mit elektromagnetischem Antrieb, in dem ein Ventilkörper
für eine vorbestimmte Antriebszeitspanne durch eine elektromagnetische Antriebskraft
direkt angetrieben und aus einem Ventilsitz gelöst wird,
wodurch eine Gasströmungsrate oder ein Gasdruck reguliert
werden kann. Die Einspritzdüse 44 beinhaltet den
Ventilsitz mit Strahlöffnungen, die einen gasförmigen
Brennstoff, wie z. B. das Brenngas, ausstoßen, und beinhaltet
darüber hinaus einen Düsenkörper, der
den gasförmigen Brennstoff den Strahlöffnungen
zuführt und zu diesen leitet, und den Ventilkörper,
der in einer in Bezug auf den Düsenkörper axialen
Richtung (einer Gasströmungsrichtung) beweglich aufgenommen
und gehalten wird, um die Strahlöffnungen zu öffnen
oder zu schließen.
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Die
Gas-/Wasserabführleitung 48 ist mit einem Gas-/Wasserabführventil 49 versehen.
Das Gas-/Wasserabführventil 49 arbeitet gemäß einem Befehl
von der Steuerungseinheit 90, um das Brennstoffabgas, das
in der Umwälzleitung 46 Verunreinigungen beinhaltet,
und einen Wassergehalt aus dem System abzuführen. Wenn
das Gas-/Wasserabführventil 49 geöffnet
ist, nimmt die Konzentration der Verunreinigungen im Brennstoffabgas
der Umwälzleitung 46 ab, und die Wasserstoffkonzentration
im Brennstoffabgas, das durch ein Umwälzsystem umgewälzt
wird, kann dadurch zunehmen.
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Das
durch das Gas-/Wasserabführventil 49 abgeführte
Brennstoffabgas wird mit dem Oxidationsabgas vermischt, das durch
die Oxidationsabgasleitung 34 strömt, und durch
eine Verdünnungseinrichtung (nicht gezeigt) verdünnt.
Die Umwälzpumpe 47 wird durch einen Elektromotor
angetrieben, um das Brennstoffabgas des Umwälzsystems zum
Brennstoffzellenstapel 20 umzuwälzen und diesem
zuzuführen.
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Das
Leistungssystem 50 beinhaltet einen Gleichstromwandler 51,
eine Batterie 52, einen Antriebswechselrichter 53,
einen Antriebsmotor 54 und Zusatzaggregate 55.
Der Gleichstromwandler 51 ist eine Leistungsumwandlungseinrichtung
mit einer Funktion zum Erhöhen einer von der Batterie 52 zugeführten
Gleichstromspannung, um die Spannung an den Antriebswechselrichter 53 abzugeben,
und einer Funktion zum Senken einer Gleichstromleistung, die durch
den Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt wird, oder einer
Regenerativleistung, die durch den Antriebsmotor 54 durch
regeneratives Bremsen gesammelt bzw. aufgenommen wird, um die Batterie 52 aufzuladen.
Der Lade-/Entladevorgang der Batterie 52 wird durch diese
Funktionen des Gleichstromwandlers 51 gesteuert. Außerdem
wird durch eine Spannungsumwandlungssteuerung des Gleichstromwandlers 51 ein
Betriebspunkt (die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20 gesteuert.
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Die
Batterie 52 fungiert als eine Speicherquelle für
einen Leistungsüberschuss, eine Regnerativenergie-Speicherquelle
während des regenerativen Bremsens oder als ein Energiepuffer
während einer Lastschwankung, die eine Begleiterscheinung des
Beschleunigungs- oder Verlangsamungsvorgangs des Brennstoffzellenfahrzeugs
ist. Als die Batterie 52 ist z. B. eine Nickel-/Kadmium-Akkumulatorbatterie,
eine Nickel-/Wasserstoff-Akkumulatorbatterie oder eine Sekundärbatterie,
wie z. B. eine Lithium-Sekundärbatterie, zu bevorzugen.
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Bei
dem Antriebswechselrichter 53 handelt es sich beispielsweise
um einen PWM-Inverter, der durch ein Pulsweitenmodulationssystem
angetrieben wird, und dieser wandelt die Gleichstromspannung, die
aus dem Brennstoffzellenstapel 20 oder der Batterie 52 abgegeben
wird, einer Steuerungsanweisung aus der Steuerungseinheit 90 entsprechend
in einen Drehstrom um, so dass das Drehmoment des Antriebsmotors 54 gesteuert
wird. Bei dem Antriebsmotor 54 handelt es sich beispielsweise
um einen Drehstrommotor, der eine Leistungsquelle für das Brennstoffzellenfahrzeug
darstellt.
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Die
Zusatzaggregate 55 beinhalten im Allgemeinen Elektromotoren,
die in Einheiten für das Brennstoffzellensystem 10 angeordnet
sind (z. B. Leistungsquellen für Pumpen und dergleichen),
Inverter bzw. Wechselrichter zum Antreiben dieser Elektromotoren,
und jede Art von an einem Auto montierten Zusatzaggregat (z. B.
ein Luftkompressor, eine Einspritzdüse, eine Kühlwasser-Umwälzpumpe, ein
Kühler oder ähnliches).
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Das
Kühlsystem 60 beinhaltet Kühlmittelleitungen 61, 62, 63 und 64 zum
Umwälzen eines Kühlmittels durch den Brennstoffzellenstapel 20;
eine Umwälzpumpe 65 zum Zuführen des
unter Druck stehenden Kühlmittels; einen Kühler 66 zum
Ausführen eines Wärmeaustausches zwischen dem
Kühlmittel und der Außenluft; ein Dreiwegeventil 67 zum
Schalten eines Umwälzwegs des Kühlmittels; und
einen Temperatursensor 74 zum Erfassen einer Kühlmitteltemperatur.
Während eines regulären Betriebs nach Beenden
eines Aufwärmbetriebs wird der Öffnungs-/Schließbetrieb
des Dreiwegeventils 67 so gesteuert, dass das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeführte
Kühlmittel durch die Kühlmittelleitungen 61, 64 strömt,
durch den Kühler 66 gekühlt wird und dann
durch die Kühlmittelleitung 63 strömt,
um dann erneut wieder in den Brennstoffzellenstapel 20 zu strömen.
Während des unmittelbar nach dem Starten des Systems stattfindenden
Aufwärmbetriebs wird der Öffnungs-/Schließbetrieb
des Dreiwegeventils 67 jedoch so gesteuert, dass das aus
dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeführte Kühlmittel
durch die Kühlmittelleitungen 61, 62 und 63 strömt,
um dann wieder in den Brennstoffzellenstapel 20 zu strömen.
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Die
Steuerungseinheit 90 ist ein Computersystem, das eine CPU,
einen ROM, einen RAM, eine Eingangs-/Ausgangs-Schnittfläche
und ähnliches beinhaltet, und als eine Steuerungseinrichtung
zum Steuern der Einheiten (des Oxidationsgas-Zuführsystems 30,
des Brenngas-Zuführsystems 40, des Leistungssystems 50 und
des Kühlsystems 60) des Brennstoffzellensystems 10 fungiert.
Beim Empfangen eines Startsignals IG, z. B., das von einem Zündschalter
ausgegeben wird, startet die Steuerungseinheit 90 den Betrieb
des Brennstoffzellensystems 10, um die angeforderte Leistung
des gesamten Systems basierend auf einem Fahrpedal-Öffnungswinkelsignal
ACC, das von einem Fahrpedalsensor ausgegeben wird, einem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal
VC, das von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgegeben wird,
und dergleichen zu erhalten.
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Die
angeforderte Leistung des gesamten Systems entspricht einem Gesamtwert
einer Fahrzeugfahrleistung und einer Zusatzaggregatleistung. Unter
der Zusatzaggregatleistung versteht man eine Leistung, die durch
ein an einem Auto montiertes Zusatzaggregat verbraucht wird (die
Befeuchtungseinrichtung, den Luftkompressor, die Kühlwasser-Umwälzpumpe
oder ähnliches), eine durch eine Vorrichtung verbrauchte
Leistung (ein Wechselrad, eine Radführungsvorrichtung,
eine Lenkvorrichtung, eine Aufhängungsvorrichtung oder
dergleichen), die für den Fahrbetrieb eines Fahrzeugs notwendig
sind, eine durch eine in einer Fahrgastzelle angeordnete Vorrichtung
verbrauchte Leistung (eine Klimaanlage, eine Lichtarmatur, Audioeinrichtungen
oder ähnliches) und dergleichen.
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Die
Steuerungseinheit 90 bestimmt außerdem eine Verteilung
der Ausgangsleistungen des Brennstoffzellenstapels 20 und
der Batterie 52, berechnet einen Leistungserzeugungs-Anweisungswert
und steuert das Oxidationsgas-Zuführsystem 30 und
das Brenngas-Zuführsystem 40, so dass die Menge
der durch den Brennstoffzellenstapel 20 zu erzeugenden
Leistung mit einer Soll-Leistung übereinstimmt. Die Steuerungseinheit 90 steuert
ferner den Gleichstromwandler 51, um die Ausgangsspannung
des Brennstoffzellenstapels 20 zu regulieren, wodurch der
Betriebspunkt (die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20 gesteuert
wird. Um die einem Fahrpedal-Öffnungswinkel entsprechende
Soll-Fahrzeuggeschwindigkeit zu erhalten, gibt die Steuerungseinheit 90 beispielsweise
U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Wechselstromspannungs-Anweisungswerte
als Schaltanweisungen an den Antriebswechselrichter 53 aus und
steuert ein Ausgangsdrehmoment und eine Drehzahl des Antriebsmotors 54.
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2 ist
eine perspektivische Explosionsansicht einer Zelle 21,
die den Brennstoffzellenstapel 20 darstellt.
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Die
Zelle 21 besteht aus einem elektrolytischen Film 22,
einem Anodenpol 23, einem Kathodenpol 24 und Separatoren 26, 27.
Der Anodenpol 23 und der Kathodenpol 24 sind Diffusionselektroden, die
den elektrolytischen Film 22 von beiden Seiten sandwichartig
umgeben, so dass eine Sandwichstruktur gebildet wird. Die Separatoren 26, 27,
die aus gasundurchlässigen leitfähigen Elementen
bestehen, umgeben diese Sandwichstruktur zusätzlich von
beiden Seiten, während die Leitungen für das Brenngas
und das Oxidationsgas zwischen dem Anodenpol 23 und dem
Kathodenpol 24 ausgebildet werden. Der Separator 26 ist
mit Rippen 26a versehen, die ausgesparte Abschnitte aufweisen.
Der Anodenpol 23 grenzt an den Rippen 26a an,
so dass die Öffnungen der Rippen 26a geschlossen
sind, wodurch eine Brenngasleitung ausgebildet wird. Der Separator 27 ist
mit Rippen 27a versehen, die mit ausgesparten Abschnitten
versehen sind. Der Kathodenpol 24 grenzt an den Rippen 27a an,
so dass die Öffnungen der Rippen 27a geschlossen
sind, wodurch eine Oxidationsgasleitung ausgebildet wird.
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Der
Anodenpol 23 weist eine Katalysatorschicht 23a,
die ein Kohlenstoffpulver beinhaltet, das einen Metallkatalysator
auf Platinbasis (Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ru oder dergleichen)
als eine Hauptkomponente trägt, wobei die Katalysatorschicht
mit dem elektrolytischen Film 22 in Kontakt gelangt; und eine
Gasdiffusionsschicht 23b auf, die auf der Oberfläche
der Katalysatorschicht 23 gebildet ist und sowohl eine
Gasdurchlässigkeit als auch eine Elektronenleitfähigkeit
aufweist. Desgleichen weist der Kathodenpol 24 eine Katalysatorschicht 24a und
eine Gasdiffusionsschicht 24b auf. Insbesondere was die Katalysatorschichten 23a, 24a angeht,
so ist das Kohlenstoffpulver, das Platin oder eine aus Platin und einem
anderen Metall bestehende Legierung trägt, in einem entsprechenden
organischen Lösungsmittel dispergiert bzw. fein verteilt,
und dementsprechend wird eine elektrolytische Lösung in
einer soviel wie nötigen Menge beigemengt, gleichmäßig
aufgetragen bzw. verteilt und im Siebdruckverfahren auf den elektrolytischen
Film 22 aufgetragen. Die Gasdiffusionsschichten 23b, 24b sind
aus einem Kohlenstoffgewebe gebildet, das mit einem aus einer Kohlenstofffaser
bestehenden Faden, Kohlenstoffpapier oder Kohlenstofffilz verwoben
ist. Bei dem elektrolytischen Film 22 handelt es sich um
eine protonenleitfähige Ionenaustauschmembran, die aus
einem Festpolymermaterial, beispielsweise einem Harz auf Fluorbasis,
gebildet ist, und dieser weist in einem feuchten Zustand eine zufriedenstellende
elektrische Leitfähigkeit auf. Der elektrolytische Film 22,
der Anodenpol 23 und der Kathodenpol 24 bilden
zusammen eine Membranelektrodenanordnung 25.
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3 ist
ein Ersatzschaltdiagramm, das die elektrischen Eigenschaften der
Zelle 21 veranschaulicht.
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Die
Ersatzschaltung der Zelle 21 weist einen Schaltungsaufbau
auf, in dem R1 mit einer Schaltung in Reihe geschaltet ist, in der
R2 und C parallel geschaltet sind. Hier entspricht R1 einem elektrischen Widerstand
des elektrolytischen Films 22, und R2 entspricht einem
Widerstand, in den eine Aktivierungsüberspannung und eine
Diffusionsüberspannung umgewandelt worden sind. C entspricht
einem elektrischen Doppelschichtkondensator, der auf einer Grenzfläche
zwischen dem Anodenpol 23 und dem elektrolytischen Film 22 und
einer Grenzfläche zwischen dem Kathodenpol 24 und
dem elektrolytischen Film 22 ausgebildet ist. Wenn ein
sinusförmiger Strom mit einer vorbestimmten Frequenz an
diese Ersatzschaltung angelegt wird, spricht die Spannung in Bezug
auf die Veränderung des Stroms verzögert an.
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4 ist
ein Graph, der den Wechselstromwiderstand des Brennstoffzellenstapels 20 auf
einer komplexen Ebene darstellt. Die Abszisse zeigt einen Realteil
des Wechselstromwiderstands an, und die Ordinate zeigt einen Imaginärteil
des Wechselstromwiderstands an. Das Symbol ω steht für
die Winkelfrequenz des sinusförmigen Stroms.
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Wenn
ein sinusförmiges Signal mit einer hohen bis niedrigen
Frequenz an die in 3 gezeigte Ersatzschaltung angelegt
wird, so erhält man den in 4 gezeigten
Graphen. Der Wechselstromwiderstand wird in einem Fall, wo die Frequenz
des sinusförmigen Signals unendlich hoch ist (ω = ∞)
durch R1 dargestellt. Der Wechselstromwiderstand wird in einem Fall,
wo die Frequenz des sinusförmigen Signals sehr niedrig
ist (ω = 0), durch R1 + R2 dargestellt. Der Wechselstromwiderstand,
der dann bzw. zu einer Zeit erhalten wird, wenn sich die Frequenz
des sinusförmigen Signals zwischen der hohen Frequenz und der
niedrigen Frequenz verändert, beschreibt einen Halbkreis,
wie in 4 gezeigt ist.
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Wird
ein solches Wechselstromwiderstandsverfahren verwendet, können
R1 und R2 in der Ersatzschaltung des Brennstoffzellenstapels 20 separat
voneinander gemessen werden. Wenn R1 größer als
ein vorbestimmter Wert ist und die Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 20 abnimmt,
trocknet der elektrolytische Film 22, so dass die Widerstandsüberspannung
ansteigt, und es kann daraus geschlossen werden, dass die Verringerung
der Leitfähigkeit eine Ursache für den Rückgang
der Leistungsabgabe ist. Wenn R2 größer als ein
vorbestimmter Wert ist und die Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 10 abnimmt,
entsteht auf den Oberflächen der Elektroden übermäßig viel
Wasser, und es kann daraus geschlossen werden, dass die Ursache
dafür der Anstieg der Diffusionsüberspannung ist.
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5 ist
ein funktionelles Blockdiagramm der Steuerungseinheit 90,
die mit der Spülverarbeitung in Zusammenhang steht.
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Die
Steuerungseinheit 90 beinhaltet eine Spannungsanweisungseinheit 91,
eine Wechselstromwiderstands-Messeinheit 92, einen Messungsspeicher 93,
eine Spülvorgangsausführzeit-Schätzungseinheit 94 und
eine Begrenzungseinheit 95, und diese Einheiten wirken
derart zusammen, dass sie miteinander als Spülvorgangssteuerungseinrichtung
funktionieren.
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Die
Wechselstromwiderstandsmessung des Brennstoffzellenstapels 20 durch
die Steuerungseinheit 90 erfolgt entsprechend der nachstehenden
Vorgehensweise.
- (1) Die Spannungsanweisungseinheit 91 legt
das sinusförmige Signal auf eine vorbestimmte Gleichstromspannung,
um einen Spannungsanweisungswert zu bilden und dieser Spannungsanweisungswert
an den Gleichstromwandler 51 ausgegeben wird.
- (2) Der Gleichstromwandler 51 arbeitet basierend auf
dem Spannungsanweisungswert und wandelt die in der Batterie 52 angesammelte
bzw. akkumulierte Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung
um, um das dementsprechende sinusförmige Signal an den
Brennstoffzellenstapel 20 anzulegen.
- (3) Die Wechselstromwiderstands-Messeinheit 92 tastet
eine Ansprechspannung, die durch den Spannungssensor 71 erfasst
wird, und einen Ansprechstrom, der durch den Stromsensor 72 erfasst
wird, mit einer vorbestimmten Abtastrate ab, führt eine
schnelle Fourier-Transformationsverarbeitung (FFT-Verarbeitung)
aus, teilt die Ansprechspannung und den Ansprechstrom in Realkomponenten
bzw. Imaginärkomponenten auf, teilt die Ansprechspannung,
die der FFT-Verarbeitung unterzogen worden ist, durch den Ansprechstrom,
der der FFT-Verarbeitung unterzogen worden ist, um die Realkomponente
und die Imaginärkomponente des Wechselstromwiderstands zu
be rechnen, und berechnet einen Abstand r und einen Phasenwinkel θ anhand
eines Ursprungpunkts der komplexen Ebene. Wenn die Ansprechspannung
und der Ansprechstrom gemessen werden, während sich die
Frequenz des am Brennstoffzellenstapel 20 anliegenden sinusförmigen
Signals kontinuierlich verändert, kann der Wechselstromwiderstand
des Brennstoffzellenstapels 20 berechnet werden.
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Es
ist zu beachten, dass der durch den Brennstoffzellenstapel 20 fließende
Strom eine Ladungsbewegung infolge einer chemischen Reaktion ist.
Wenn sich daher die Amplitude eines Wechselstromsignals vergrößert,
kommt es zu einer Schwankung eines Ansprechbetrags bzw. Reaktionsbetrags (einer
Gasverbrauchszahl bzw. eines Gasnutzungsverhältnisses)
in Bezug auf die Menge des zugeführten Gases. Wenn die
Gasverbrauchszahl schwankt, können gelegentlich Fehler
bei der Messung des Wechselstromwiderstands entstehen. Folglich
beträgt die Wechselstromkomponente des an dem Brennstoffzellenstapel 20 anliegenden
Signals während der Messung des Wechselstromwiderstands vorzugsweise
etwa mehrere Prozent der Gleichstromkomponente.
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Die
Wechselstromwiderstands-Messeinheit 92 speichert den Wert
des Wechselstromwiderstands, der wie vorstehend beschrieben im Messungsspeicher 93 gemessen
wurde. Die Spülvorgangsausführzeit-Schätzungseinheit 94 schätzt
eine Spülvorgangsausführzeit basierend auf dem
Wert des im Messungsspeicher 93 gespeicherten Wechselstromwiderstands.
Wenn die Spülvorgangsausführzeit, die durch die
Spülvorgangsausführzeit-Schätzungseinheit 94 geschätzt
wird, eine maximale Spülzeit überschritten hat,
begrenzt die Begrenzungseinheit 95 die Spülvorgangsausführzeit
auf die maximale Spülvorgangszeit. Die maximale Spülvorgangszeit
kann als eine Spülvorgangsabschaltungszeit bezeichnet werden.
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Anschließend
erfolgt eine Beschreibung eines Verfahrens zum Schätzen
der Spülvorgangsausführzeit unter Bezugnahme auf 6 bis 8.
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6 ist
ein Graph, der die Veränderungen des Wechselstromwiderstands
im Zeitverlauf darstellt. Die Abszisse zeigt die Zeit an, und die
Ordinate zeigt den Wert des Wechselstromwiderstands des Brennstoffzellenstapels 20 an.
Bei einer Zeit t1 handelt es sich um einen Steuerzeitpunkt, zu dem
ein Zündschalter abgeschaltet wird. In einer Zeitspanne von
einer Zeit t0 bis zur Zeit t1 weist das Brennstoffzellensystem 10 einen
Leistungserzeugungszustand auf, und die Wechselstromwiderstands-Messeinheit 92 berechnet
den Wechselstromwiderstand des Brennstoffzellenstapels 20 in
einem feststehenden Zyklusintervall und speichert den Wechselstromwiderstand
im Messungsspeicher 93. Der Wert des in dem Messungsspeicher 93 gespeicherten
Wechselstromwiderstands wird sukzessive auf den neuesten Wert aktualisiert.
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Wenn
der Zündschalter zur Zeit t1 abgeschaltet wird und die
Steuerungseinheit 90 angewiesen wird, den Betrieb zu stoppen,
speichert die Steuerungseinheit 90 einen Wechselstromwiderstandswert
Z1, der zur Zeit t1 im Messungsspeicher 93 gemessen wird,
um die Spülungsverarbeitung zu starten. Die Spülungsverarbeitung
ist eine Verarbeitung zum Ansteuern bzw. Antreiben des Luftkompressors 32 als
Spülungsvorrichtung und zum Ermöglichen, dass
eine Druckluft als Spülgas durch einen Gaskanal in dem
Brennstoffzellenstapel 20 strömen kann, wodurch
ein Feuchtigkeitszustand in dem Gaskanal angemessen reguliert werden
kann. Wenn in dem Gaskanal der verbleibende Wassergehalt hoch ist, verschlechtern
sich die Starteigenschaften beim nächsten Startvorgang,
und darüber hinaus kommt es in einer Umgebung mit niedrigen
Temperaturen aufgrund des Gehalts an gefrierendem Wasser in manchen
Fällen zum Bruch von Leitungen, Ventilen und ähnlichem.
Wenn der Brennstoffzellenstapel 20 hingegen einen unzureichenden
Wassergehalt aufweist, nimmt die Leitfähigkeit des elektrolytischen Films 22 ab,
wodurch es zu einer Abnahme einer Leistungserzeugungseffizienz kommt.
Daher berechnet die Spülvorgangsausführzeit-Schätzungseinheit 94 den
Wert des Wechselstromwiderstands zu einer Zeit, wenn im Inneren
des Brennstoffzellenstapels 20 ein optimaler Feuchtigkeitszustand
erreicht worden ist, stellt den berechneten Wechselstromwiderstandwert
als einen Soll-Wechselstromwiderstand ein und nimmt eine Schätzung
der Spülvorgangsausführzeit vor, um den Wechselstromwiderstand
des Brennstoffzellenstapels 20 an den Soll-Wechselstromwiderstand
anzupassen.
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Zu
einer Zeit t2, wenn die Zeit T1 seit dem Start der Spülvorgangsverarbeitung
verstrichen ist, misst die Steuerungseinheit 90 einen Wechselstromwiderstand
Z2 des Brennstoffzellenstapels 20 und aktualisiert den
neuesten Wechselstromwiderstandswert, der im Messungsspeicher 93 gespeichert
ist, von Z1 auf Z2. Vom Standpunkt der Verbesserung der Schätzungsgenauigkeit
der Spülvorgangsausführzeit aus betrachtet, ist
die Zeit T1 vorzugsweise eine Zeit, zu der vorherzusehen ist, dass
der Wassergehalt im Brennstoffzellenstapel 20 möglichst
stark zurückgehen wird. Von diesem Standpunkt aus betrachtet,
wird die Temperaturveränderungsrate des Brennstoffzellenstapels 20 erfasst,
und eine zum Verringern des absoluten Werts der Temperaturveränderungsrate
auf einen Wert unterhalb eines vorbestimmten Schwellwerts notwendige
Zeit ist vorzugsweise die Zeit T1. Wenn der absolute Wert der Temperaturveränderungsrate
den vorbestimmten Schwellwert unterschreitet, ist davon auszugehen, dass
die Menge des verdampften Wassers im Brennstoffzellenstapel 20 einen
Sättigungszustand erreicht hat, so dass ein angemessener
Trockenzustand erreicht ist.
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Wie
in 7 gezeigt ist, schätzt die Spülvorgangsausführzeit-Schätzungseinheit 94 eine
Spülvorgangsausführzeit T2, die zum Anpassen des Wechselstromwiderstands
an einen Soll-Wechselstromwiderstand Z3 notwendig ist, durch Verwendung
einer Interpolationsfunktion 200 basierend auf einem Wechselstromwiderstand
Z1, der zur Zeit t1 gemessen wird, und dem Wechselstromwiderstand Z2,
der zur Zeit t2 gemessen wird. Die Interpolationsfunktion 200 ist
eine Funktion zum Schätzen einer Soll-Koordinate (t3, Z3)
basierend auf zumindest zwei Messkoordinaten, beispielsweise (t1,
Z1) und (t2, Z2), und wird mittels Experiment oder ähnlichem erhalten.
Als die Interpolationsfunktion 200 ist beispielsweise eine
quadratische Funktion zu bevorzugen. Das durch den Erfinder ausgeführte
Experiment hat außerdem bestätigt, dass, wenn
die Menge des Spülgases, die pro Zeiteinheit zugeführt
wird, und eine Stapeltemperatur unveränderlich bzw. festgelegt
sind, der Wert des Wechselstromwiderstands in der Art und Weise
einer quadratischen Funktion ansteigt. Beispiele für die
quadratische Funktion sind Z = at2 + Z0, in der t die Zeit ist,
Z der Wechselstromwiderstand und a und Z0 positive Konstanten sind. Wenn
zwei Messkoordinaten in die quadratische Funktion eingesetzt werden,
können die Werte der Konstanten a und Z0 bestimmt werden.
Die Lösung von t zu einer Zeit, wenn Z = Z3, ist eine Spülvorgangsbeendungszeit
t3. Die Spülvorgangsausführzeit T2 kann durch
die Spülvorgangsausführzeit T2 = die Spülvorgangsbeendungszeit
t3 – die Spülvorgangsstartzeit t1 berechnet werden.
Wenn die Spülvorgangsausführzeit T2, die auf diese
Art und Weise geschätzt wird, kürzer ist als eine
maximale Spülvorgangszeit Tm, wird die Spülvorgangsverarbeitung von
der Zeit t2 bis zur Zeit t3 ausgeführt, wenn die Spülvorgangsausführzeit
T2 verstrichen ist.
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Wie
in 8 gezeigt ist, wird hingegen, wenn die Spülvorgangszeit
T2 länger als die maximale Spülvorgangszeit Tm
ist, die Spülvorgangsausführzeit durch die Begrenzungseinheit 95 auf
die maximale Spülvorgangszeit Tm begrenzt, und die Begrenzungseinheit 95 führt
die Spülvorgangsverarbeitung von der Zeit t1 bis zu einer
Zeit t4 aus, zur der die maximale Spülvorgangszeit Tm verstreicht.
In einem Fall, wo zu Beginn eines Spülvorgangs im Brennstoffzellenstapel 20 ein
hoher Wassergehaltsrückstand vorhanden ist, ist es schwierig,
trotz Ausführung der Spülvorgangsverarbeitung
eine zufriedenstellende Trocknung des Stapels zu erreichen. In einem
solchen Fall wird somit die Spülvorgangsverarbeitung solange
ausgeführt, bis die maximale Spülvorgangszeit
Tm seit dem Start des Spülvorgangs verstrichen ist, wodurch
der Wassergehalt im Brennstoffzellenstapel 10 in Vorbereitung
auf den nächsten Startvorgang deutlich reduziert werden
kann.
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Es
ist zu beachten, dass in einem Fall, wo die Spülvorgangsausführzeit
T2 die maximale Spülvorgangszeit Tm überschreitet,
die Begrenzungseinheit 95, auch dann, wenn der elektrolytische
Film 22 bei Beendung der Spülvorgangsverarbeitung
ungenügend trocken ist, die Spülvorgangsausführzeit
auf die maximale Spülvorgangsausführzeit Tm begrenzt
und eine derartige Spülvorgangsverarbeitung dahingehend
unterbunden wird, dass die Spülvorgangsausführzeit
die maximale Spülvorgangszeit Tm überschreitet.
Wenn in diesem Fall der elektrolytische Film 22 unzureichend
trocken ist, liegt der im Brennstoffzellenstapel 20 verbliebene
Wassergehalt über einer vorbestimmten Menge Qth. Da zwischen
dem Wassergehalt im Brennstoffzellenstapel 20 und dem Wechselstromwiderstand
ein Zusammenhang besteht, kann daher in einem Fall, wo der Wechselstromwiderstand
des Brennstoffzellenstapels 20 geringer ist als der Soll-Wechselstromwiderstand,
geschlussfolgert werden, dass der elektrolytische Film 22 unzureichend
getrocknet worden ist. Hier bezieht sich der Soll-Wechselstromwiderstand
auf einen Wechselstromwiderstand zu einer Zeit, wenn der optimale
Feuchtigkeitszustand (der Gehalt des Wasserrückstands Qth)
im Brennstoffzellenstapel 20 erreicht worden ist.
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Auch
in einem Fall, wo vor dem Start des Spülvorgangs geschätzt
wird, dass der Wechselstromwiderstand des Brennstoffzellenstapels 20 zu der
Zeit, wenn die maximale Spülvorgangszeit Tm seit Beginn
des Spülvorgangs verstrichen ist, geringer ist als der
Soll-Wechselstromwiderstand, oder in einem Fall, wo der Wechselstromwiderstand
des Brennstoffzellenstapels 20, der tatsächlich
zu der Zeit gemessen wird, wenn die maximale Spülvorgangszeit
Tm seit Beginn des Spülvorgangs verstrichen ist, geringer
ist als der Soll-Wechselstromwiderstand, grenzt die Begrenzungseinheit 95 die
Spülvorgangsausführzeit auf die maximale Spülvorgangszeit Tm
ein.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass, da der Luftkompressor 32 durch
die Leistung von der Batterie 52 angetrieben wird, die
Zeitspanne der maximalen Spülvorgangszeit Tm basierend
auf dem Ladezustand (SOC) der Batterie 52 auf einen angemessenen
Wert eingestellt werden kann.
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In
der vorstehenden Ausführungsform ist eine Nutzkonfiguration
veranschaulicht worden, in der das Brennstoffzellensystem 10 als
das an einem Auto montierte Leistungsquellensystem verwendet wird,
doch die Nutzkonfiguration des Brennstoffzellensystems 10 ist
nicht auf dieses Beispiel begrenzt. Das Brennstoffzellensystem 10 kann
als eine Leistungsquelle für eine andere mobile Karosserie
(einen Roboter, ein Schiff, ein Flugzeug und dergleichen) als das
Brennstoffzellenfahrzeug eingebaut werden. Außerdem kann
das Brennstoffzellensystem 10 gemäß der
vorliegenden Ausführungsform als eine Leistungserzeugungseinrichtung
(ein stationäres Leistungserzeugungssystem) eines Wohnhauses,
Gebäudes oder dergleichen verwendet werden.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird die Spülvorgangsverarbeitung
solange fortgesetzt, bis eine Spülvorgangsausführzeit
eine maximale Spülvorgangszeit erreicht hat, wodurch ein
Wassergehalt in einer Brennstoffzelle in Vorbereitung auf den nächsten
Startvorgang möglichst stark reduziert werden kann.
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Zusammenfassung
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Brennstoffzellensystem
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Ein
Brennstoffzellensystem beinhaltet: eine Wechselstromwiderstands-Messeinheit 92,
die einen Wechselstromwiderstand einer Brennstoffzelle zu Beginn
eines Spülvorgangs misst und einen Wechselstromwiderstand
der Brennstoffzelle misst, wenn eine vorbestimmte Zeit seit Beginn
des Spülvorgangs verstrichen ist; eine Spülvorgangsausführzeit-Abschätzungseinheit 94,
die eine Spülvorgangsausführzeit basierend auf
dem Wechselstromwiderstand, der zu Beginn des Spülvorgangs
gemessen wird, dem Wechselstromwiderstand, der zu der Zeit gemessen wird,
wenn die vorbestimmte Zeit seit Beginn des Spülvorgangs
verstrichen ist, und der vorbestimmten Zeit abschätzt;
und eine Begrenzungseinheit 95, die die Spülvorgangsausführzeit
auf eine vorbestimmte maximale Spülvorgangszeit begrenzt,
wenn die Spülvorgangsausführzeit die maximale
Spülvorgangszeit überschreitet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2002-246053 [0003, 0003]