DE112008001378T5 - System zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene und Verfahren zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene - Google Patents

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Abstract

System zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene, dadurch gekennzeichnet, dass:
eine Membranelektrodenanordnung einer Brennstoffzelle eine Anode und eine Kathode aufweist, denen jeweils Reaktionsgase zugeführt werden, um eine Leistung zu erzeugen;
eine Einrichtung zum Speichern einer Leistungserzeugungskennlinie zum Speichern einer Leistungserzeugungskennlinie, die eine Beziehung zwischen einer Leistungserzeugungsmenge und einer Leistungserzeugungsumgebung der Membranelektrodenanordnung definiert;
eine Einrichtung zum Speichern einer Verbrauchs-Erzeugungskennlinie zum Speichern einer Verbrauchs-Erzeugungskennlinie, die eine Beziehung zwischen den Verbrauchsmengen der Reaktionsgase in der Membranelektrodenanordnung und der Leistungserzeugungsmenge und eine Beziehung zwischen einer Wasserentstehungsmenge in der Membranelektrodenanordnung und der Leistungserzeugungsmenge definiert;
eine Einrichtung zum Festlegen einer Einlassumgebung zum Festlegen von Leistungserzeugungsumgebungen an den Einlässen der Reaktionsgase;
eine Einrichtung zum Definieren eines Kleinbereichs zum virtuellen Unterteilen der Membranelektrodenanordnung in eine Mehrzahl von kleinen Bereichen, die entlang dem Strömungsweg der Reaktionsgase angeordnet sind;
eine Einrichtung zum Berechnen einer Leistungserzeugungsmenge zum Berechnen einer Leistungserzeugungsmenge eines ersten...

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein System zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene und ein Verfahren zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene, und insbesondere ein System zum Abschätzen eines Zustands innerhalb einer Ebene und ein Verfahren zum Abschätzen eines Zustands innerhalb einer Ebene, um eine Stromverteilung in einer Ebene von jeweiligen Membranelektrodenanordnungen, aus denen eine Brennstoffzelle besteht, exakt abzuschätzen.
  • 2. Beschreibung des einschlägigen Stands der Technik
  • Die japanische Patentanmeldungs-Veröffentlichungsschrift 2005-347016 ( JP-A-2005-347016 ) offenbart ein Verfahren zum problemlosen Prognostizieren eines Zustands von einer jeden der Membranelektrodenanordnungen einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene. Insbesondere offenbart die vorstehend erwähnte Veröffentlichungsschrift ein Verfahren, bei dem ein Model einer Membranelektrodenanordnung als ein Objekt, das einer Prognose unterzogen werden soll, erzeugt wird, das auf einen Maßstab von 1/n verkleinert wird, und zum Prognostizieren eines Zustands der Membranelektrodenanordnung innerhalb einer Ebene herangezogen wird.
  • In dem vorstehend erwähnten Prognoseverfahren wird der Zustand der Membranelektrodenanordnung innerhalb einer Ebene entsprechend einem existierenden Berechnungsverfahren prognostiziert. Die Entwicklung des in diesem Fall verwendeten Be rechnungsverfahren setzt eine enorme Anzahl von Anpassungsoperationen und dergleichen voraus. Der Zeitaufwand für die Entwicklung des Berechnungsverfahrens ist somit sehr hoch. Wenn ein Modell im Maßstand von 1/n verwendet wird, um eine Prognoseberechnung auszuführen, kann der Zeitaufwand zur Entwicklung des Berechnungsverfahrens im Vergleich zu einem Fall, in dem eine in voller Größe vorliegende Membranelektrodenanordnung für die Prognose verwendet wird, erheblich reduziert werden. Somit ist das vorstehend erwähnte Prognoseverfahren in dieser Hinsicht als ein Verfahren zum problemlosen Prognostizieren eines Zustands einer Membranelektrodenanordnung innerhalb einer Ebene effektiv.
  • Ein Phänomen, das sich in einem Modell im Maßstab 1/n ereignet, überschneidet sich aber nicht exakt mit einem Phänomen, das sich in der in voller Größe vorliegenden Membranelektrodenanordnung ereignet. In dem vorstehend erwähnten Prognoseverfahren ist es daher schwierig, einen Zustand innerhalb einer Ebene exakt zu prognostizieren, der in einer realen Membranelektrodenanordnung erzeugt wird. Selbst wenn das im Maßstab 1/n vorliegende Modell herangezogen wird, ist der Zeitaufwand entsprechend dem vorstehend erwähnten Verfahren zur Entwicklung eines diesem Modell entsprechenden Berechnungsverfahrens immer noch sehr hoch. Diesbezüglich steckt in dem vorstehend erwähnten Verfahren immer noch Verbesserungspotenzial in Bezug auf sowohl die bzw. den zur Entwicklung benötigte/n Mannstunde bzw. Zeitaufwand als auch die Genauigkeit bei der Erstellung der Prognose.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung schafft ein System zum Abschätzen eines Zustand innerhalb einer Ebene und ein Verfahren zum Prognostizieren eines Zustands innerhalb einer Ebene, die es ermöglichen, eine Verteilung einer Leistungserzeugungsmenge in einer Ebene einer jeden der Membranelektrodenanordnungen einer Brennstoffzelle einfach und exakt zu prognostizieren.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein System zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene. Dieses System zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene ist mit einer Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle, die eine Anode und eine Kathode aufweist, denen jeweils Reaktionsgase zur Leistungserzeugung zugeführt werden, einer Leistungserzeugungs-Kennlinien-Einrichtung zum Speichern einer Leistungserzeugungs-Kennlinie, die eine Beziehung zwischen einer Leistungserzeugungsmenge und einer Leistungserzeugungsumgebung der Membranelektrodenanordnung definiert, einer Einrichtung zum Speichern einer Verbrauchs-Erzeugungs-Kennlinie zum Speichern einer Verbrauchs-Erzeugungs-Kennlinie, die eine Beziehung zwischen den Verbrauchsmengen der Reaktionsgase in der Membranelektrodenanordnung und der Leistungserzeugungsmenge und eine Beziehung zwischen einer Wasserentstehungsmenge und der Leistungserzeugungsmenge definiert, einer Einrichtung zum Bestimmen bzw. Festlegen einer Einlassumgebung zum Bestimmen von Leistungserzeugungsumgebungen an den Einlässen der Reaktionsgase, einer Einrichtung zum Definieren eines kleinen Bereichs zum virtuellen Unterteilen der Membranelektrodenanordnung in eine Mehrzahl von kleinen Bereichen, die entlang dem Strömungsweg der Reaktionsgase angeordnet sind, einer Einrichtung zum Berechnen einer Leistungserzeugungsmenge zum Berechnen einer Leistungserzeugungsmenge in einem ersten kleinen Bereich als einen von der Mehrzahl der kleinen Bereiche auf Basis einer Leistungserzeugungsumgebung eines zweiten kleinen Bereichs, der sich in Bezug auf die Strömung der Reaktionsgase stromauf des ersten kleinen Bereichs befindet, entsprechend der Leistungserzeugungskennlinien, einer Einrichtung zum Berechnen einer Verbrauchserzeugungsmenge zum Berechnen von Verbrauchsmengen der Reaktionsgase und einer Wasserentstehungsmenge in dem ersten kleinen Bereich auf Basis der Leistungserzeugungsmenge des ersten kleinen Bereichs gemäß der Verbrauchs-Erzeugungs-Kennlinie und einer Einrichtung zum Aktualisieren einer Leistungserzeugungsumgebung zum Reflektieren der Reaktionsgas-Verbrauchsmengen und einer Wasserentstehungsmenge in dem zweiten kleinen Bereich auf der Leistungserzeugungsumgebung des zweiten kleinen Bereichs, um eine Leistungserzeugungsumgebung des ersten kleinen Bereichs zu berechnen, ausgestattet.
  • Das System zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene kann außerdem mit einer Einrichtung zum Speichern einer Widerstandskennlinie zum Speichern einer Widerstandskennlinie, die eine Beziehung zwischen einem Wider standswert und einer Leistungserzeugungsumgebung der Membranelektrodenanordnung definiert, und einer Einrichtung zum Berechnen eines Widerstandswerts zum Berechnen eines Widerstandswerts in dem ersten kleinen Bereich auf Basis der Leistungserzeugungsumgebung des zweiten kleinen Bereichs entsprechend der Widerstandskennlinie ausgestattet sein.
  • Das System zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene kann mit einer Wasserübertragungskennlinien-Speichereinrichtung zum Speichern einer Wasserübertragungskennlinie ausgestattet sein, die eine Beziehung zwischen einer Wasserübertragungsmenge von der Kathode der Membranelektrodenanordnung zur Anode der Membranelektrodenanordnung und einer Leistungserzeugungsumgebung der Membranelektrodenanordnung definiert, und einer Wasserübertragungsmengen-Berechnungseinrichtung zum Berechnen einer Wasserübertragungsmenge in dem ersten kleinen Bereich auf der Basis der Leistungserzeugungsumgebung des zweiten kleinen Bereichs gemäß der Wasserübertragungskennlinie. Die Leistungserzeugungsumgebung kann eine in der Kathode der Membranelektrodenanordnung beinhaltete Wassermenge und eine in der Anode der Membranelektrodenanordnung beinhaltete Wassermenge beinhalten. Die Leistungserzeugungsumgebungs-Aktualisierungseinrichtung kann eine Kathodenwassermengen-Aktualisierungseinrichtung zum Subtrahieren einer Wasserübertragungsmenge in dem zweiten kleinen Bereich von einer Summe aus einer in der Kathode in dem zweiten kleinen Bereich vorhandenen Wassermenge und einer Wasserentstehungsmenge in dem zweiten kleinen Bereich beinhalten, um eine in der Kathode in dem ersten kleinen Bereich vorhandenen Wassermenge zu berechnen, und eine Anodenwassermengen-Aktualisierungseinrichtung zum Addieren der Wasserübertragungsmenge in dem zweiten kleinen Bereich zu einer in der Anode in dem zweiten kleinen Bereich vorhandenen Wassermenge, um eine in der Anode in dem ersten kleinen Bereich vorhandenen Wassermenge zu berechnen.
  • Bei dem der Kathode zugeführten Reaktionsgas kann es sich um ein sauerstoffhaltiges Oxidationsgas handeln. Bei dem der Anode zugeführten Reaktionsgas kann es sich um ein wasserstoffhaltiges Brenngas handeln. Die Verbrauchs-Erzeugungsmengen-Berechnungseinrichtung kann eine Sauerstoffverbrauchsmengen-Berechnungseinrich tung zum Berechnen einer durch die Kathode von einem jeden von der Mehrzahl der kleinen Bereiche entstehenden Sauerstoffverbrauchsmenge, und eine Wasserstoffverbrauchsmengen-Berechnungseinrichtung zum Berechnen einer durch die Anode in jedem von der Mehrzahl von kleinen Bereichen entstehenden Wasserstoffverbrauchsmenge beinhalten. Die Leistungserzeugungsumgebung kann eine in der Kathode der Membranelektrodenanordnung vorhandene Sauerstoffmenge und eine in der Anode der Membranelektrodenanordnung vorhandene Wasserstoffmenge beinhalten. Die Leistungserzeugungs-Aktualisierungseinrichtung kann eine Sauerstoffmengen-Aktualisierungseinrichtung beinhalten zum Subtrahieren einer Sauerstoffverbrauchsmenge in dem zweiten kleinen Bereich von einer in der Kathode in dem zweiten kleinen Bereich vorhandenen Sauerstoffmenge, um eine in der Kathode in dem ersten kleinen Bereich vorhandene Sauerstoffmenge zu berechnen, und eine Wasserstoffmengen-Aktualisierungsmenge beinhalten zum Subtrahieren einer Wasserstoffverbrauchsmenge in dem zweiten kleinen Bereich von einer in der Anode in dem zweiten kleinen Bereich vorhandenen Wasserstoffmenge, um eine in der Anode in dem ersten kleinen Bereich vorhandenen Wasserstoffmenge zu berechnen.
  • Die Membranelektrodenanordnung kann mit einem Parallelstromkanal ausgestattet sein, durch den das der Kathode zugeführte Reaktionsgas und das der Anode zugeführte Reaktionsgas in der gleichen Richtung strömen. Derjenige der kleinen Bereiche, der sich in Bezug auf die Strömung der Reaktionsgase stromauf eines jeweiligen der kleinen Bereiche befindet, kann sowohl zur Kathode als auch zur Anode gehören.
  • Die Membranelektrodenanordnung kann mit einem Gegenstromkanal ausgestattet sein, durch den das der Kathode zugeführte Reaktionsgas und das der Anode zugeführte Reaktionsgas in zueinander entgegengesetzten Richtungen strömen. Derjenige der kleinen Bereiche, der sich in Bezug auf die Strömung des der Kathode zugeführten Reaktionsgases stromauf von jedem der kleinen Bereiche befindet, kann der zweite kleine Bereich auf der Kathodenseite sein. Derjenige der kleinen Bereiche, der sich in Bezug auf die Strömung des der Anode zugeführten Reaktionsgases benachbart und stromauf eines jeden der kleinen Bereiche befindet, kann der zweite kleine Bereich auf der Anodenseite sein.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene. Dieses Verfahren zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene beinhaltet einen Schritt zum Zuführen von Reaktionsgasen an eine Anode bzw. Kathode einer Membranelektrodenanordnung einer Brennstoffzelle, einen Schritt zum Festlegen von Leistungserzeugungsumgebungen an Einlässen der Reaktionsgase, einen Schritt zum virtuellen Unterteilen der Membranelektrodenanordnung in eine Mehrzahl von kleinen Bereichen, die entlang dem Reaktionsgasströmungsweg angeordnet sind, einen Schritt zum Berechnen einer Leistungserzeugungsmenge in einem ersten kleinen Bereich als einen von der Mehrzahl der kleinen Bereiche auf der Basis einer Leistungserzeugungsumgebung eines zweiten kleinen Bereichs, der sich in Bezug auf die Strömung der Reaktionsgase stromauf des ersten kleinen Bereichs befindet, entsprechend einer Leistungserzeugungs-Kennlinie, die eine Beziehung zwischen einer Leistungserzeugungsmenge und einer Leistungserzeugungsumgebung der Membranelektrodenanordnung definiert, einen Schritt zum Berechnen von Verbrauchsmengen der Reaktionsgase und einer Wasserentstehungsmenge in dem ersten kleinen Bereich auf der Basis der Leistungserzeugungsmenge in dem ersten kleinen Bereich entsprechend einer Verbrauchs-Erzeugungskennlinie, die eine Beziehung zwischen den Verbrauchsmengen der Reaktionsgase in der Membranelektrodenanordnung und der Leistungserzeugungsmenge und eine Beziehung zwischen einer Wasserentstehungsmenge in der Membranelektrodenanordnung und der Leistungserzeugungsmenge definiert, und einen Schritt zum Reflektieren bzw. Widerspiegeln der Verbrauchsmengen der Reaktionsgase und einer Wasserentstehungsmenge in dem zweiten kleinen Bereich auf der Leistungserzeugungsumgebung des zweiten kleinen Bereichs, um eine Leistungserzeugungsumgebung des ersten kleinen Bereichs zu berechnen.
  • Das Verfahren zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene kann ferner einen Schritt zum Erstellen eines Membranelektrodenanordnungs-Stücks beinhalten, das die gleiche Struktur wie die Membranelektrodenanordnung aufweist und das so dimensioniert ist, dass es eine Leistungserzeugungsumgebung innerhalb einer Ebene im Wesentlichen homogenisieren kann, einen Schritt zum Zufüh ren von Reaktionsgasen zu einer Anode bzw. einer Kathode des Membranelektrodenanordnungs-Stücks, einen Schritt zum Messen einer Leistungserzeugungsmenge des Membranelektrodenanordnungs-Stücks, während die Leistungserzeugungsumgebungen an den Einlässen der Reaktionsgase geändert werden, und einen Schritt zum Erzeugen der Leistungserzeugungskennlinie auf der Basis eines Ergebnisses des Schritts des Messens der Leistungserzeugungsmenge des Membranelektrodenanordnungs-Stücks.
  • Das Verfahren zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene kann ferner einen Schritt zum Berechnen eines Widerstandswerts in dem ersten kleinen Bereich auf der Basis der Leistungserzeugungsumgebung des zweiten kleinen Bereichs gemäß einer Widerstands-Kennlinie beinhalten, die eine Beziehung zwischen einem Widerstandswert und einer Leistungserzeugungsumgebung der Membranelektrodenanordnung definiert.
  • Das Verfahren zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene kann ferner einen Schritt zum Erstellen eines Membranelektrodenanordnungs-Stücks beinhalten, das die gleiche Struktur wie die Membranelektrodenanordnung aufweist und so dimensioniert ist, dass es eine innerhalb einer Ebene befindliche Leistungserzeugungsumgebung im Wesentlichen homogenisiert, einen Schritt zum Zuführen von Reaktionsgasen zu einer Anode bzw. einer Kathode des Membranelektrodenanordnungs-Stücks, einen Schritt zum Messen eines Widerstandswerts des Membranelektrodenanordnungs-Stücks, während die Leistungserzeugungsumgebungen an Einlässen der Reaktionsgase geändert werden, und einen Schritt zum Erzeugen der Widerstands-Kennlinie auf der Basis eines Ergebnisses des Schritts zum Messen des Widerstandswerts des Membranelektrodenanordnungs-Stücks.
  • Das Verfahren zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene kann einen Schritt zum Berechnen einer Wasserübertragungsmenge in dem ersten kleinen Bereich auf der Basis der Leistungserzeugungsumgebung des zweiten kleinen Bereichs gemäß einer Wasserübertragungs-Kennlinie beinhalten, die eine Beziehung zwischen einer Wasserübertragungsmenge von der Kathode der Membranelektrodenanordnung zur Anode der Membranelektrodenanordnung und einer Leistungser zeugungsumgebung der Membranelektrodenanordnung definiert, einen Schritt zum Subtrahieren einer Wasserübertragungsmenge in dem zweiten kleinen Bereich von einer Summe aus einer in der Kathode in dem zweiten kleinen Bereich vorhandenen Wassermenge und einer Wasserentstehungsmenge in dem zweiten kleinen Bereich, um eine in der Kathode in dem ersten kleinen Bereich vorhandene Wassermenge zu berechnen, wenn die Leistungserzeugungsumgebung eine in der Kathode der Membranelektrodenanordnung vorhandene Wassermenge und eine in der Anode der Membranelektrodenanordnung vorhandenen Wassermenge beinhaltet, und einen Schritt zum Addieren der Wasserübertragungsmenge in dem zweiten kleinen Bereich zu einer in der Anode vorhandenen Wassermenge in dem zweiten kleinen Bereich, um eine in der Anode in dem ersten kleinen Bereich vorhandene Wassermenge zu berechnen.
  • Das Verfahren zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene kann einen Schritt zum Erstellen eines Membranelektrodenanordnungs-Stücks beinhalten, das die gleiche Struktur wie die Membranelektrodenanordnung aufweist und das so dimensioniert ist, dass es eine innerhalb einer Ebene befindliche Leistungserzeugungsumgebung im Wesentlichen homogenisiert, einen Schritt zum Zuführen von Reaktionsgasen zu einer Anode bzw. einer Kathode des Membranelektrodenanordnungs-Stücks, einen Schritt zum Messen einer Wasserübertragungsmenge in dem Membranelektrodenanordnungs-Stück, während die Leistungserzeugungsumgebungen an den Einlässen der Reaktionsgase geändert werden, und einen Schritt zum Erzeugen der Wasserübertragungs-Kennlinie auf der Basis des Schritts des Messens der Wasserübertragungsmenge in dem Membranelektrodenanordnungs-Stück.
  • Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung können die Leistungserzeugungsmengen in den virtuell unterteilten jeweiligen kleinen Bereichen durch eine der Reihe nach erfolgende Berechnung von jenen kleinen Bereichen in einer Vorstufe bis zu jenen kleinen Bereichen in einer Nachstufe exakt erhalten werden. Das heißt, dass es sich bei der Leistungserzeugungsumgebung an jedem der Einlässe der Reaktionsgase um die Leistungserzeugungsumgebung des einen der kleinen Bereiche handelt, der sich in Bezug auf die Strömung eines entsprechenden der Reaktionsgase auf der äußerst stromauf gelegenen Seite befindet. Somit kann die Leistungserzeugungsmenge des einen der klei nen Bereiche, der sich in Bezug auf die Strömung der Reaktionsgase auf der äußerst stromauf gelegenen Seite befindet, auf der Basis der Leistungserzeugungs-Kennlinie berechnet werden kann. Wenn die Leistungserzeugungsmenge bekannt ist, können die Verbrauchsmengen der Reaktionsgase und die Wasserentstehungsmenge in dem einen der kleinen Bereiche auf der Basis der Verbrauchs-Erzeugungskennlinie berechnet werden. Wenn die Verbrauchsmengen der Reaktionsgase und die Wasserentstehungsmenge bekannt sind, kann die Leistungserzeugungsumgebung, die durch den einen der kleinen Bereiche an jene kleinen Bereichen an der Nachstufe übertragen wird, prognostiziert werden. Unter Verwendung dieser Leistungserzeugungsumgebung können die Leistungserzeugungsmengen in jenen kleinen Bereichen an der Nachstufe prognostiziert werden. Die Leistungserzeugungsmengen von der Mehrzahl der jeweiligen kleinen Bereiche können durch Wiederholung der vorstehenden Verarbeitung exakt und problemlos berechnet werden.
  • Durch Verwendung der Widerstandskennlinie, die die Beziehung zwischen dem Widerstandswert und der Leistungserzeugungsumgebung definiert, kann auch die Verteilung des Widerstandswerts in der Ebene der Membranelektrodenanordnung prognostiziert werden.
  • Durch Verwendung der Wasserübertragungs-Kennlinie, die die Beziehung zwischen der Wasserübertragungsmenge und der Leistungserzeugungsmenge definiert, kann die Wasserübertragungsmenge in jedem der kleinen Bereiche exakt prognostiziert werden. Wenn die Wasserübertragungsmenge prognostiziert werden kann, kann die in der Kathode in jedem der kleinen Bereiche vorhandene Wassermenge und die in der Anode in jedem der kleinen Bereiche vorhandene Wassermenge exakt prognostiziert werden. Somit kann die Wassermenge als ein Faktor der Leistungserzeugungsumgebung für die jeweiligen Bereiche der Reihe nach exakt aktualisiert werden.
  • Die in der Anode vorhandene Wasserstoffmenge in jedem der kleinen Bereiche und die in der Kathode in jedem der kleinen Bereiche vorhandene Sauerstoffmenge kann exakt prognostiziert werden. Die Wasserstoffmenge in der Anode und die Sauerstoffmenge in der Kathode sind jeweils ein Faktor der Leistungserzeugungsumgebung, der Einfluss auf die Leistungserzeugungsmenge der Membranelektrodenanordnung hat. Das heißt, dass die Wasserstoffmengen in der Anode als ein Faktor der Leistungserzeugungsumgebung und die Sauerstoffmengen in der Kathode als ein Faktor der Leistungserzeugungsumgebung für die jeweiligen kleinen Bereiche der Reihe nach exakt aktualisiert werden können.
  • Die Verteilung des Stroms in der Ebene kann für die mit dem Parallelstromkanal ausgestattete Membranelektrodenanordnung prognostiziert werden.
  • Die Verteilung des Stroms in der Ebene kann für die mit dem Gegenstromkanal ausgestattete Membranelektrodenanordnung prognostiziert werden.
  • Durch Verwendung der Leistungserzeugungs-Kennlinie, die die Beziehung zwischen der Leistungserzeugungsmenge und der Leistungserzeugungsumgebung definiert, kann die Verteilung der Leistungserzeugungsmenge in der Ebene der Membranelektrodenanordnung exakt prognostiziert werden.
  • Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung kann die Leistungserzeugungs-Kennlinie durch Verwendung des Membranelektrodenanordnungs-Stücks problemlos erzeugt werden. Das heißt, dass die innerhalb einer Ebene befindliche Leistungserzeugungsumgebung in dem Membranelektrodenanordnungs-Stück im Wesentlichen homogenisiert werden kann. Wenn somit der durch das Membranelektrodenanordnungs-Stück erzeugte Strombetrag gemessen wird, während die Leistungserzeugungsumgebungen an den Einlässen der Reaktionsgase verändert werden, kann die Leistungserzeugungs-Kennlinie ohne Weiteres erzeugt werden.
  • Durch Verwendung der Widerstandskennlinie kann die Verteilung des Widerstandswerts in der Ebene der Membranelektrodenanordnung exakt prognostiziert werden.
  • Durch Messen des Widerstandswerts des Membranelektrodenanordnungs-Stücks, während die Leistungserzeugungsumgebungen an den Einlässen der Reaktionsgase geändert werden, kann die Widerstandskennlinie problemlos erstellt werden.
  • Durch Verwendung der Wasserübertragungskennlinie kann die Wasserübertragungsmenge in einem jeden der kleinen Bereiche der Membranelektrodenanordnung exakt prognostiziert werden. Durch Berücksichtigung der Wasserübertragungsmenge in jedem der kleinen Bereiche kann die in der Anode in jedem der kleinen Bereiche vorhandene Wassermenge und die in der Kathode in jedem der kleinen Bereich vorhandene Wassermenge exakt prognostiziert werden.
  • Durch Messen der Wasserübertragungsmenge in dem Membranelektrodenanordnungs-Stück, während die Leistungserzeugungsumgebungen an den Einlässen der Reaktionsgase geändert werden, kann die Widerstandskennlinie problemlos prognostiziert werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die vorstehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachstehenden Beschreibung der Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung besser verständlich, in der zur Darstellung identischer Elemente identische Bezugszeichen verwendet werden. Es zeigen:
  • 1 ein Diagramm zur Erläuterung der Konfiguration eines Systems gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 2A u. B zeigen jeweils ein Kennfeld einer Stromdichte I, das durch das System gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
  • 3A u. B zeigen jeweils ein Kennfeld eines Widerstandswerts R, das durch das System gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
  • 4A u. B zeigen jeweils ein Kennfeld einer Wasserübertragungsmenge H2O_m, das durch das System gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
  • 5 ist ein Diagramm eines Systems zum Messen eines Leistungserzeugungszustands unter einer speziellen Leistungserzeugungsumgebung unter Verwendung eines Membranelektrodenanordnungs-Stücks;
  • 6A u. B sind Ansichten zur Erläuterung eines Verfahrens, bei dem eine Membranelektrodenanordnung, mit der eine in 1 gezeigte Brennstoffzelle ausgestattet ist, virtuell unterteilt wird;
  • 7 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens, bei dem das System gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung eine Leistungserzeugungsumgebung eines Bereichs n auf Basis einer Leistungserzeugungsumgebung eines Bereichs n – 1 prognostiziert;
  • 8 ist ein Flussdiagramm für eine Routine, die in dem System gemäß der ersten Ausführungsform ausgeführt wird;
  • 9 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Inhalte der Verarbeitungsschritte, die auf einer Kathodenseite in der zweiten Ausführungsform der Erfindung ausgeführt werden;
  • 10 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Inhalte der Verarbeitungsschritte, die auf einer Anodenseite in der zweiten Ausführungsform der Erfindung ausgeführt werden;
  • 11 ist ein Flussdiagramm einer Routine, die in einem System gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung ausgeführt wird; und
  • 12 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis der Prognose einer Verteilung zeigt, die durch das System gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung vorgenommen worden ist.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Konfiguration eines Systems gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Das in 1 gezeigte System ist mit einer Brennstoffzelle 10 ausgestattet. Die Brennstoffzelle 10 ist mit einer Mehrzahl von laminierten bzw. geschichteten Membranelektrodenanordnungen 12 ausgestattet. Die Membranelektrodenanordnungen 12 bilden eine plattenartige Struktur aus, die in Bezug auf die Schicht von 1 sich in der Tiefenrichtung erstreckt.
  • Eine Anode und eine Kathode sind entlang einer Elektrolytmembran innerhalb einer jeden der Membranelektrodenanordnungen 12 ausgebildet. Auf der Anodenseite ist ein Gasströmungskanal ausgebildet, der bewirken soll, dass ein wasserstoffhaltiges Brenngas (in dieser Ausführungsform der Erfindung handelt es sich dabei um ein Wasserstoffgas) durch das Innere einer Ebene strömt. Auf der Kathodenseite ist ein Gasströmungskanal ausgebildet, der bewirken soll, dass ein sauerstoffhaltiges Oxidationsgas (in der Ausführungsform der Erfindung handelt es sich dabei um Luft) durch das Innere einer Ebene strömt. Darüber hinaus ist eine Kühlmittelleitung, die bewirken soll, dass ein Kühlmittel durch dieselbe strömt, an einer Grenze zwischen allen benachbarten Membranelektrodenanordnungen ausgebildet. Die Konstruktionen der Brennstoffzelle 10 und der Membranelektrodenanordnungen 12 sind bekannt und werden daher im Folgenden nicht weiter ausgeführt.
  • Eine Oxidationsgas-Zuführleitung 14 und eine Oxidationsgas-Abführleitung 16 sind mit der Brennstoffzelle 10 in Verbindung. Die Oxidationsgas-Zuführleitung 14 ist über eine Befeuchtungseinrichtung 18 mit einem Kompressor 20 verbunden. Der Kompressor 20 kann der Brennstoffzelle 10 über die Oxidationsgas-Zuführleitung 14 durch ein Luftfilter 22 Luft zuführen.
  • Die von der Oxidationsgas-Zuführleitung 14 zur Brennstoffzelle 10 zugeführte Luft wird auf die kathodenseitigen Gasströmungskanäle verteilt, mit denen die Mehrzahl der geschichteten Membranelektrodenanordnungen 12 jeweils ausgestattet sind. Die so verteilte Luft strömt durch das Innere der kathodenseitigen Ebenen der jeweiligen Membranelektrodenanordnungen und wird dann von der Oxidationsgas-Abführleitung 16 abgeführt.
  • Indem bewirkt wird, dass der Wasserstoff und der Sauerstoff miteinander reagieren, um Leistung zu erzeugen, entsteht in der Brennstoffzelle 10 auf der Kathodenseite Wasser. Daher ist in dem aus der Oxidationsgas-Abführleitung 16 abgeführten Gas Wasser enthalten. Die Funktion der Befeuchtungseinrichtung 18 ist es, die Luft auf der Seite der Oxidationsgas-Zuführleitung 14 zu befeuchten, indem das in der Oxidationsgas-Abführleitung 16 enthaltene Wasser verwendet wird. Somit kann die befeuchtete Luft gemäß dem in 1 gezeigten System der Kathodenseite der Brennstoffzelle 10 zugeführt werden.
  • Eine Brenngas-Zuführleitung 24 und eine Brenngas-Abführleitung 26 sind mit der Brennstoffzelle 10 verbunden. Ein Wasserstofftank 30 ist mit der Brenngas-Zuführleitung 24 über ein Stellventil 28 verbunden. Dieser Konfiguration entsprechend kann das Wasserstoffgas der Brennstoffzelle 10 mit einem gewünschten Druck zugeführt werden, indem der Öffnungsgrad des Stellventils 28 angepasst wird.
  • Das der Brennstoffzelle 10 zugeführte Wasserstoffgas wird auf die anodenseitigen Gasströmungskanäle verteilt, mit denen die Mehrzahl der laminierten Membranelektrodenanordnungen 12 jeweils ausgestattet sind. Das den anodenseitigen Strömungen zugeführte Wasserstoffgas strömt durch das Innere der Ebenen der jeweiligen Membranelektrodenanordnungen und wird dann von der Brenngas-Abführleitung 26 abgeführt.
  • In dieser Ausführungsform der Erfindung weist jede der Membranelektrodenanordnungen 12 einen Parallelstromkanal auf. Das heißt, dass der kathodenseitige Gasströmungskanal und der anodenseitige Gasströmungskanal von jeder der Membranelektrodenanordnungen 12 derart angeordnet sind, dass die Reaktionsgase durch diesel ben jeweils in der gleichen Richtung hindurchströmen. Insbesondere ist jede der Membranelektrodenanordnungen 12 gemäß dieser Ausführungsform so konstruiert, dass sowohl das Brenngas auf der Anodenseite als auch das Oxidationsgas auf der Kathodenseite, in einem in 1 gezeigten Zustand, auf deren Schicht bezogen in stromabwärtiger Richtung strömen.
  • Ferner sind mit der Brennstoffzelle 10 eine Kühlmittel-Zuführleitung 32 und eine Kühlmittel-Abführleitung 34 verbunden. Das Kühlmittel, das von der Kühlmittel-Zuführleitung 32 hereingeströmt ist, strömt durch die jeweiligen Grenzflächen zwischen den benachbarten der Membranelektrodenanordnungen 12 und wird dann von der Kühlmittel-Abführleitung 34 abgeführt. Aufgrund dieses Kühlmittels wird die Temperatur der Brennstoffzelle 10 beispielsweise auf etwa 80°C gesteuert.
  • In dem System gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung, das in 1 gezeigt ist, ist die Oxidationsgas-Zuführleitung 14 mit einer Druckmessanzeige 36 und einer Taupunktmesseinrichtung 38 ausgestattet. Eine Druckmessanzeige 40 ist in der Oxidationsgas-Abführleitung 16 angeordnet. Die Druckmessanzeige 36 und die Taupunktmesseinrichtung 38 können den Druck und die Feuchtigkeit an einem kathodenseitigen Einlass von jeder der Membranelektrodenanordnungen 12 erfassen. Die Druckmessanzeige 40 kann den Druck an einem kathodenseitigen Einlass einer jeden Membranelektrodenanordnungen erfassen.
  • Das System gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ist ferner mit einer Druckmessanzeige 42 und einer Taupunktmesseinrichtung 44 ausgestattet, die in der Brenngas-Zuführleitung 24 angeordnet ist, einer Druckmessanzeige 46, die in der Brenngas-Abführleitung 26 angeordnet ist, und einer Temperaturmessanzeige 48, die in der Kühlmittel-Abführleitung 34 angeordnet ist. Diese Messinstrumente können den Druck und die Feuchtigkeit an einem anodenseitigen Einlass von jeder der Membranelektrodenanordnungen 12, den Druck an einem anodenseitigen Auslass von jeder der Membranelektrodenanordnungen 12 und die Temperatur von jeder der Membranelektrodenanordnungen 12 erfassen.
  • Die Ausgaben der Druckmessanzeigen 36, 40 und 46, die Taupunktmesseinrichtungen 38 und 44 und die Temperaturmessanzeige 48 werden einer elektronischen Steuerungseinheit (ECU) 50 zugeführt. Aufgrund der Ausgaben dieser Messinstrumente kann die ECU 50 eine Umgebung im Hinblick auf die Drücke und Temperaturen von jeder der Membranelektrodenanordnungen 12 erfassen.
  • Das System gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung erstellt eine exakte Prognose der Verteilung einer Leistungsverteilung in jeder der Membranelektrodenanordnungen 12, mit denen die Brennstoffzelle 10 ausgestattet ist. Um diese Funktion zu realisieren, weist die ECU 50 eine darin gespeicherte Mehrzahl von Kennfeldern auf, die in 2 bis 4 gezeigt sind. Die ECU 50 weist eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) (nicht gezeigt), einen Direktzugriffspeicher (RAM) (nicht gezeigt), einen Nur-Lese-Speicher (ROM) (nicht gezeigt) und eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle auf. Die ECU 50 weist die Mehrzahl der Kennfelder auf, die in einem aus dem ROM, dem RAM und dergleichen bestehenden Speicherabschnitt gespeichert sind.
  • 2A und 2B zeigen Kennfelder einer Stromdichte I. Jeder der Membranelektrodenanordnungen 12 erzeugt in ihrer Ebene, die einer Leistungserzeugungsumgebung entspricht, eine Leistung mit der Stromdichte I. 2A und B zeigen Kennfelder, die jeweils eine Beziehung zwischen einer Leistungserzeugungsumgebung, die jede der Membranelektrodenanordnungen 12 umgibt, und der Stromdichte I, die durch jede der Membranelektrodenanordnungen 12 erzeugt wird, definieren.
  • Ein Leistungserzeugungszustand von jeder der Membranelektrodenanordnungen 12 wird durch eine Mehrzahl von Parameter festgelegt, auf die nachher in der Beschreibung eingegangen wird. Diese Parameter werden im Allgemeinen als „Leistungserzeugungsumgebung” bezeichnet. Bei diesen Parametern handelt es sich bei dem ersten Parameter um eine relative Feuchtigkeit An_RH eines Brenngases, das durch Anode strömt, und bei dem zweiten Parameter um eine relative Feuchtigkeit Ca_RH eines Oxidationsgases, das durch die Kathode strömt. Bei dem dritten Parameter handelt es sich um einen Druck P_An der Anode, bei dem vierten Parameter handelt es sich um einen Druck P_Ca der Kathode, und bei dem fünften Parameter handelt es sich um eine Kon zentration des Wasserstoffs in einem durch die Anode strömenden Brenngas. Bei dem sechsten Parameter handelt es sich um eine Konzentration des Sauerstoffs in einem durch die Kathode strömenden Oxidationsgas, und bei dem siebten Parameter handelt es sich um eine Temperatur einer jeden der Membranelektrodenanordnungen 12 (NB: „relative Feuchtigkeit” = (Dampfdruck)/(gesättigter Dampfdruck) × 100).
  • Von den vorstehend erwähnten sieben Parameter entsprechen der Druck P_An der Anode als der dritte Parameter und der Druck P_Ca der Kathode als der vierte Parameter einander näherungsweise. Darüber hinaus weist der Druck P_An der Anode einen hinlänglich geringeren Einfluss auf den Leistungserzeugungszustand als der Druck P_Ca der Kathode auf. Daher wird in dieser Ausführungsform der Erfindung der Einfluss des Anodendrucks P_An als der dritte Parameter ignoriert. Bei den vorstehend erwähnten Parametern beträgt die Wasserstoffkonzentration als der fünfte Parameter ungeachtet der Position nahezu 100%, und die Temperatur als der siebte Parameter ist ungeachtet von der Position näherungsweise gleich der Temperatur des Kühlmittels. In dieser Ausführungsform der Erfindung werden die Wasserstoffkonzentration als der fünfte Parameter und die Temperatur als der siebte Parameter beide als konstante Werte behandelt.
  • 2A und B definieren Beziehungen zwischen der Leistungserzeugungsumgebung, die durch die verbleibenden vier Parameter festgelegt werden, und die Stromdichte I. Insbesondere handelt es sich bei 2A um ein Kennfeld, das die Stromdichte I definiert, die dann erzeugt wird, wenn der Kathodendruck P_Ca 140 Kpa bezogen auf die relative Anodenfeuchtigkeit An_RH, die relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH und die Sauerstoffkonzentration beträgt. 2B ist ein Kennfeld, das die Stromdichte I definiert, die dann erzeugt wird, wenn der Kathodendruck P_Ca 200 Kpa bezogen auf die relative Anodenfeuchtigkeit An_RH, die relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH und die Sauerstoffkonzentration beträgt.
  • 3A und B zeigen Kennfelder, die Beziehungen zwischen einem Widerstandswert R und einer Leistungserzeugungsumgebung von jeder der Membranelektrodenanordnungen 12 entsprechend der gleichen Regel wie in den Fällen von 2A und 2B definieren. 4A u. B zeigen Kennfelder, die Beziehungen zwischen einer Wasserübertragungsmenge H2O_m von der Kathode einer jeden der Membranelektrodenanordnungen 12 zur Anode derselben und einer Leistungserzeugungsumgebung einer jeden der Membranelektrodenanordnungen 12 entsprechend der gleichen Regel definieren. Wenn die Leistungserzeugungsumgebung einer jeden der Membranelektrodenanordnungen 12 spezifiziert ist, kann die ECU 50 die Stromdichte I, den Widerstandswert R und die Wasserübertragungsmenge H2O_m prognostizieren, die unter der Leistungserzeugungsumgebung erzeugt werden, indem auf diese Kennfelder Bezug genommen wird.
  • Anschließend wird unter Bezugnahme auf 5 ein Verfahren zum Erzeugen der in 2 bis 4 erzeugten Kennfelder beschrieben. Jede der Membranelektrodenanordnungen 12, die in 1 gezeigt sind, weist einen ausreichend langen Abstand zwischen einer Position, in die das Oxidationsgas strömt, und einer Position auf, aus der das Oxidationsgas herausströmt. Das gleiche gilt für eine Strecke bzw. einen Weg, in die bzw. den das Brenngas hineinströmt. Der Druck des Oxidationsgases und der Druck des Brenngases sind daher innerhalb der Ebene einer jeden der Membranelektrodenanordnungen 12 nicht konstant.
  • Während der Leistungserzeugung wird durch jede der Membranelektrodenanordnungen 12 auf der Kathodenseite Wasser erzeugt. Das erzeugte Wasser wird dazu gebracht, zusammen mit dem Oxidationsgasstrom stromabwärts zu strömen. Somit ist die Wassermenge auf der Kathodenseite in der Ebene einer jeden der Membranelektrodenanordnungen 12 nicht homogen. Folglich wird die relative Feuchtigkeit Ca_RH auf der Kathodenseite entlang der Gasströmung verteilt.
  • Das Wasser wird von der Kathodenseite der Membranelektrodenanordnungen 12 auf deren Anodenseite übertragen. Das so übertragene Wasser wird dazu gebracht, aufgrund der Strömung des Brenngases stromabwärts zu strömen. Somit ist die Wassermenge innerhalb der Ebene auf der Anodenseite ebenfalls nicht homogen. Folglich wird die relative Feuchtigkeit An_RH auf der Anodenseite ebenfalls zusammen mit der Gasströmung verteilt.
  • Zudem verbraucht jede der Membranelektrodenanordnungen 12 den Sauerstoff in der Luft, der der Kathode zur Leistungserzeugung zugeführt wird. Die Sauerstoffkonzentration innerhalb der Ebene der Kathode nimmt hingegen mit geringer werdendem Abstand vom Einlass der Luft (dem Einlass, in den das Oxidationsgas strömt) zu und nimmt mit einem sich verringernden Abstand vom Auslass der Luft (dem Auslass, aus dem das Oxidationsgas herausströmt) ab. Auf diese Weise ist auch die Sauerstoffkonzentration auf der Kathodenseite innerhalb der Ebene einer jeden der Membranelektrodenanordnungen 12 verteilt.
  • Beim Erstellen der Kennfelder, die in 2 bis 4 gezeigt sind, muss eine Leistungserzeugungsumgebung spezifiziert werden und die daraus resultierenden Werte gemessen werden. Von den Faktoren der Leistungserzeugungsumgebung, die beim Erstellen dieser Kennfelder spezifiziert werden sollen, können eine Temperatur T und der Druck P_Ca auf der gesamten Ebene einer jeden der Membranelektrodenanordnungen 12 relativ problemlos homogenisiert werden. Es ist jedoch schwierig, die relative Anodenfeuchtigkeit An_RH, die relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH und die Sauerstoffkonzentration auf der gesamten Ebene einer jeden der Membranelektrodenanordnungen 12 wie vorstehend beschrieben zu homogenisieren. Somit ist es schwierig, die Leistungserzeugungsumgebung zu spezifizieren, wenn jede der Membranelektrodenanordnungen 12 in ihrer natürlichen Größe genutzt wird. In dieser Ausführungsform der Erfindung wird daher ein Membranelektrodenanordnungs-Stück hergestellt, das zwar eine identische Struktur aufweist, jedoch in der Größe zu den Membranelektrodenanordnungen 12 nicht identisch ist, und die vorstehend erwähnten Kennfelder werden unter Hinzuziehung dieses Stücks erzeugt.
  • 5 ist ein Diagramm für ein System zum Messen eines Leistungserzeugungszustands unter einer spezifischen Leistungserzeugungsumgebung unter Verwendung eines Membranelektrodenanordnungs-Stücks 60. Das Membranelektrodenanordnungs-Stück 60 ist auf beiden Seiten einer Elektrolytmembran mit einem kathodenseitigen Gasströmungskanal und einem anodenseitigen Gasströmungskanal als ein Parallelstromkanal ausgestattet. Das Membranelektrodenanordnungs-Stück 60 ist derart dimen sioniert, dass die Leistungserzeugungsumgebung von den Einlässen der Gasströmungskanäle zu den Auslässen der Gasströmungskanäle, insbesondere die relative Anodenfeuchtigkeit An_RH, die relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH, die Sauerstoffkonzentration und der Druck als homogenisiert anzusehen sind. In diesem Fall werden die Abmessungen des Membranelektrodenanordnungs-Stücks 60 vom obigen Standpunkt ausgehend bei 1 cm × 1 cm angesetzt.
  • Das in 5 gezeigte System ist mit einer Oxidationsgas-Zuführleitung 62 und einer Oxidationsgas-Abführleitung 64 ausgestattet, die mit der Kathodenseite des Membranelektrodenanordnungs-Stücks 60 verbunden ist. Mit der Oxidationsgas-Zuführleitung 62 ist ein Kompressor bzw. eine Verdichtungseinrichtung 66 verbunden. Der Kompressor 66 kann eine über ein Luftfilter 68 eingesogene Luft in Richtung des Membranelektrodenanordnungs-Stücks 60 zuführen.
  • Ein Stickstofftank 72 ist mit der Oxidationsgas-Zuführleitung 62 über ein Stellventil 70 verbunden. Der Stickstofftank 72 kann der Oxidationsgas-Zuführleitung 62 Stickstoff in einer dem Öffnungsgrad- bzw. -winkel des Stellventils 70 entsprechenden Menge zuführen.
  • Die Oxidationsgas-Zuführleitung 62 ist mit einem „Bubbler” bzw. einer Dampferzeugungseinrichtung 74 ausgestattet. Bei der Dampferzeugungseinrichtung 74 handelt es sich um eine Befeuchtungseinrichtung 76, in die eine Heizeinrichtung 76 und eine Temperaturmessanzeige 78 eingebaut sind. Die Dampferzeugungseinrichtung 74 kann einen Sättigungszustand bei den Wasserdämpfen bei einer eingestellten Temperatur erzeugen. Wenn die eingestellte Temperatur 40°C beträgt, kann ein in das Membranelektrodenanordnungs-Stück 60 strömendes Oxidationsgas befeuchtet werden, so dass bei 40°C ein Sättigungszustand erreicht ist.
  • Stromabwärts der Dampferzeugungseinrichtung 74 ist eine Druckmessanzeige 80 und eine Heizeinrichtung 82 angeordnet. Wie vorstehend beschrieben, ist das Membranelektrodenanordnungs-Stück 60 derart dimensioniert, dass die Verteilung des Drucks und ähnlichem darin ignoriert werden können. Somit kann ein Messwert der Druck uhr 80 als der Druck P_Ca (homogener Wert) der Kathode des Membranelektrodenanordnungs-Stücks 60 behandelt werden.
  • Die Heizeinrichtung 82 ist so angeordnet, dass die Entstehung von Tauwasser an einer Vorstufe des Membranelektrodenanordnungs-Stücks 60 verhindert wird. Gemäß dieser Konfiguration kann ein durch die Dampferzeugungseinrichtung 74 befeuchtetes Oxidationsgas dem Membranelektrodenanordnungs-Stück 60 zugeführt werden, ohne eine Veränderung der Feuchtigkeit zu bewirken. Daher kann gemäß dem in 5 gezeigten System die Feuchtigkeit des dem Membranelektrodenanordnungs-Stück 60 zugeführten Oxidationsgas ziemlich exakt gesteuert werden.
  • Das der Kathode des Membranelektrodenanordnungs-Stücks 60 zugeführte Oxidationsgas strömt aus der Oxidationsgas-Abführleitung 64 heraus. Die Oxidationsgas-Abführleitung 64 ist mit einer Taupunkt-Messeinrichtung 84 versehen. Die Taupunkt-Messeinrichtung 84 kann die Feuchtigkeit des aus dem Membranelektrodenanordnungs-Stück 60 herausströmenden Oxidationsgases exakt messen.
  • Das in 5 gezeigte System ist mit einer Brenngas-Zuführleitung 86 und einer Brenngas-Abführleitung 88 ausgestattet, die mit der Anodenseite des Membranelektrodenanordnungs-Stücks 60 verbunden sind. Ein Wasserstofftank 92 ist über ein Stellventil 90 mit der Brenngas-Zuführleitung 86 ist verbunden. Gemäß dieser Konfiguration kann dem Membranelektrodenanordnungs-Stück 60 ein Wasserstoffgas mit einem gewünschten Druck zugeführt werden, indem der Öffnungswinkel des Stellventils 90 gesteuert wird.
  • Die Brenngaszuführleitung 86 ist mit einer Dampferzeugungseinrichtung 94 stromabwärts des Stellventils 90 ausgestattet. Wie im Fall der Dampferzeugungseinrichtung 74 auf der Kathodenseite, ist die Dampferzeugungseinrichtung 94 mit einer Heizeinrichtung 96 und einer Temperaturmessanzeige 98 ausgestattet und kann ein Brenngas befeuchten, so dass unter einer eingestellten Temperatur ein Sättigungszustand entsteht.
  • Eine Druckmessanzeige 100 und eine Heizeinrichtung 102 sind stromabwärts der Dampferzeugungseinrichtung 94 angeordnet. Ein Messwert der Druckmessanzeige 100 kann als der Druck P_An (homogener Wert) der Anode des Membranelektrodenanordnungs-Stücks 60 behandelt werden. Die Heizeinrichtung 102 kann die Entstehung von Tauwasser an der Vorstufe des Membranelektrodenanordnungs-Stücks 60 verhindern. Gemäß dieser Konfiguration kann die Feuchtigkeit des in die Anode des Membranelektrodenanordnungs-Stücks 60 strömenden Brenngases ziemlich exakt gesteuert werden.
  • Das der Anode des Membranelektrodenanordnungs-Stücks 60 zugeführte Brenngas strömt aus der Brenngas-Abführleitung 88 heraus. Die Brenngas-Abführleitung 88 ist mit einer Taupunkt-Messeinrichtung 104 versehen. Die Taupunkt-Messeinrichtung 104 kann die Feuchtigkeit des aus dem Membranelektrodenanordnungs-Stück 60 herausströmenden Brenngases exakt messen.
  • Mit dem Membranelektrodenanordnungs-Stück 60 sind eine Kühlmittel-Zuführleitung 106 und eine Kühlmittel-Abführleitung 108 verbunden. Die Kühlmittel-Abführleitung 108 ist mit einer Temperaturmessanzeige 110 versehen. Das in 5 gezeigte System kann die Temperatur eines durch das Membranelektrodenanordnungs-Stück 60 strömenden Kühlmittels exakt steuern, indem eine Rückführung bzw. Rückkopplung des Messwerts der Temperaturmessanzeige 110 ausgeführt wird. In diesem System kann die Temperatur des Kühlmittels als die Temperatur des Membranelektrodenanordnungs-Stücks 60 behandelt werden.
  • Das in 5 gezeigte System ist ferner mit einem Messschaltkreis 112 zum Koppeln bzw. Verbinden einer anodenseitigen Elektrode und einer kathodenseitigen Elektrode des Membranelektrodenanordnungs-Stücks 60 ausgestattet. Der Messschaltkreis 112 ist mit einem Amperemeter 114 und einem variablen Widerstand 116 ausgestattet. Gemäß dieser Konfiguration kann der durch das Membranelektrodenanordnungs-Stück 60 erzeugte Strombetrag (die Stromdichte I) mit der Potenzialdifferenz gemessen werden, die zwischen der anodenseitigen Elektrode und der kathodenseitigen Elektrode entsteht, die auf einen gewünschten Wert gesteuert wird (z. B. 0,6 V oder 0,8 V), indem der variable Widerstand 116 angepasst wird.
  • Wie vorstehend beschrieben, ist es zur Erstellung der in 2 bis 4 gezeigten Kennfelder notwendig, die jede der Membranelektrodenanordnungen umgebende Leistungserzeugungsumgebung zu spezifizieren. Insbesondere ist es notwendig, die relative Anodenfeuchtigkeit An_RH, die relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH, den Kathodendruck P_Ca, die Sauerstoffkonzentration und die Temperatur T zu spezifizieren.
  • Die relative Anodenfeuchtigkeit An_RH und die relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH können jeweils entsprechend den nachstehend gezeigten arithmetischen Ausdrücken berechnet werden. An_RH = (Dampfdruck des Brenngases)/(Druck des gesättigten Wasserdampfs bei einer Temperatur T) × 100 (1) Ca_RH = (Dampfdruck des Oxidationsgases)/(Druck des gesättigten Wasserdampfs bei einer Temperatur T) × 100 (2)
  • Gemäß dem in 5 gezeigten System ist die Temperatur des Kühlmittels gleich der „Temperatur T”. Daher kann der „Druck des gesättigten Wasserdampf” in dem zweiten Term auf der rechten Seite eines jeweiligen der vorstehend erwähnten Ausdrücke (1) und (2) durch Festlegen dieser Temperatur festgelegt werden. Dann kann gemäß diesem System die „Feuchtigkeit des Brenngases” in dem Ausdruck (1) und die „Feuchtigkeit des Oxidationsgases” in dem Ausdruck (2) willkürlich geändert werden, indem die Temperaturen der Dampferzeugungsgeräte 74 und 94 verändert werden. Gemäß dem in 5 gezeigten System können die relative Anodenfeuchtigkeit An_RH und die relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH des Membranelektrodenanordnungs-Stücks 60 ohne Weiteres exakt auf beliebige Werte gesteuert werden.
  • Das in 5 gezeigte System kann den Kathodendruck P_Ca auf einen beliebigen Wert steuern, indem der Betriebszustand des Kompressors bzw. der Verdichtungsein richtung 66 gesteuert wird. Darüber hinaus kann die Sauerstoffkonzentration des in das Membranelektrodenanordnungs-Stück 60 strömenden Oxidationsgases ebenfalls exakt gesteuert werden, indem die in die Oxidationsgas-Zuführleitung 62 strömende Stickstoffmenge mittels des Stellventils 70 angepasst wird. Somit können gemäß dem in 5 gezeigten System alle Parameter, die beim Einrichten der in 2 bis 4 gezeigten Kennfelder zu spezifizieren sind, ohne Weiteres und exakt eingestellt werden.
  • Jede der in 1 gezeigten Membranelektrodenanordnungen 12 muss eine elektromotorische Soll-Kraft (etwa 0,6 V) erzeugen. Somit müssen die in 2 bis 4 gezeigten Kennfelder die „Stromdichte I”, den „Widerstandswert R” und die „Wasserübertragungsmenge H2O_m” jeweils unter einem Umstand definieren, in dem jede der Membranelektrodenanordnungen 12 die elektromotorische Soll-Kraft erzeugt.
  • In dem in 5 gezeigten System kann die Stromdichte I durch das Amperemeter 114 gemessen werden, während die elektromotorische Kraft des Membranelektrodenanordnungs-Stücks 60 angepasst wird, indem der variable Widerstand 116 angepasst wird. Der Widerstandswert R des Membranelektrodenanordnungs-Stücks 60 kann anhand einer zu dem Zeitpunkt bestehenden Beziehung zwischen Strom und Spannung berechnet werden. Darüber hinaus ist die in der Kathode entstandene Wassermenge proportional zur Stromdichte I. Die Wasserentstehungsmenge kann somit berechnet werden, wenn die Stromdichte I bekannt ist. Dann kann die Menge H2O_m des Wassers, das von der Kathode zur Anode innerhalb des Membranelektrodenanordnungs-Stücks 60 übertragen wird, berechnet werden, wenn die Feuchtigkeit des in die Kathode strömenden Oxidationsgases (d. h. die Wassermenge), die in der Kathode erzeugte Wassermenge und die Feuchtigkeit des aus der Kathode herausströmenden Oxidationsgases (d. h. die Wassermenge) bekannt sind.
  • Das heißt, dass gemäß dem in 5 gezeigten System die Stromdichte I und der Widerstandswert R gemessen und die Wasserübertragungsmenge H2O_m berechnet werden können, indem die das Membranelektrodenanordnungs-Stück 60 umgebende Leistungserzeugungsumgebung entsprechend verändert wird. Wenn dieses System so mit verwendet wird, können die in 2 bis 4 gezeigten Kennfelder durch einfache Verarbeitungsschritte ziemlich exakt eingestellt werden.
  • 6A und B sind Ansichten, die ein Verfahren zum virtuellen Unterteilen einer jeden der Membranelektrodenanordnungen 12 erläutern, mit denen die in 1 gezeigte Brennstoffzelle 10 ausgestattet ist. Insbesondere handelt es sich bei 6A um eine perspektivische Ansicht, die eine Anodenebene von jeder der Membranelektrodenanordnungen 12 zeigt. Wie vorstehend beschrieben, sind die Gasströmungskanäle, die bewirken sollen, dass das Brenngas und das Oxidationsgas jeweils durch dieselben hindurchströmen, im Inneren der Membranelektrodenanordnungen 12 auf der Anodenseite bzw. der Kathodenseite ausgebildet. In dieser Ausführungsform der Erfindung sind die Gasströmungskanäle so ausgebildet, dass sie den Parallelstromkanal bilden, d. h., derart, dass sich das Brenngas auf der Anodenseite und das Oxidationsgas auf der Kathodenseite in der gleichen Richtung (einer durch die Pfeile in 6A angezeigte Richtung) von einem Ende von jeder der Membranelektrodenanordnungen 12 zum anderen Ende derselben fortbewegen.
  • 6B zeigt einen der bandartig ausgeschnittenen Bereiche (die nachstehend als „bandartige Bereiche 120” bezeichnet werden) von jeder der Membranelektrodenanordnungen 12. Jede der Membranelektrodenanordnungen 12 kann praktisch als aus einer Mehrzahl dieser in Längsrichtung angeordneten bandartigen Bereiche bestehend betrachtet werden. In jedem der bandartigen Bereiche 120 strömen das Oxidationsgas auf der Kathodenseite und das Brenngas auf der Anodenseite parallel zueinander in einer Längsrichtung, die in 6B durch Pfeile angezeigt ist.
  • Wie in 6B gezeigt ist, kann jeder der bandartigen Bereiche 120 als aus kleinen Bereichen bestehend betrachtet werden, die in der Richtung angeordnet sind, in der die Reaktionsgase strömen. In dieser Ausführungsform der Erfindung weisen die kleinen Bereiche eine Größe von 1 cm × 1 cm auf, wie dies bei dem in 5 gezeigten Membranelektrodenanordnungs-Stück der Fall ist.
  • Wird jede der Membranelektrodenanordnungen 12 in Betracht gezogen, die zu den in 6B gezeigten, kleinen Bereichen zerlegt sind, kann die Leistungserzeugungsumgebung in jedem der kleinen Bereiche als homogen betrachtet werden. Wenn in diesem Fall eine Leistungserzeugungsumgebung in z. B. dem (n – 1)ten kleinen Bereich (der nachstehend als der „Bereich n – 1” bezeichnet wird) bekannt ist, kann ein Leistungserzeugungszustand in diesem Bereich prognostiziert werden. Wenn dann die Leistungserzeugungsumgebung und der Leistungserzeugungszustand in dem Bereich n – 1 bekannt sind, kann eine Leistungserzeugungsumgebung in dem Bereich n prognostiziert werden. Wenn somit jede der Membranelektrodenanordnungen 12, die in die in 6B gezeigten kleinen Bereiche unterteilt sind, in Betracht gezogen wird, können anschließend durch das Bekanntsein der Leistungserzeugungsumgebung in dem ersten kleinen Bereich die Leistungserzeugungsumgebungen und die Leistungserzeugungszustände in den jeweiligen kleinen Bereichen, die mit dem s Bereich abschließen, der Reihe nach prognostiziert werden.
  • 7 ist ein Diagramm, das eine Vorgehensweise zum Prognostizieren der Leistungserzeugungsumgebung in dem Bereich n auf der Basis der Leistungserzeugungsumgebung in dem Bereich n – 1 erläutert. Das Oxidationsgas strömt aus der Kathode in dem Bereich n – 2 in die Kathode in dem Bereich n – 1, und das in der Kathode in dem Bereich n – 2 vorhandene Wasser strömt in die Kathode in dem Bereich n – 1. Es wird an dieser Stelle davon ausgegangen, dass die Sauerstoffmenge O2(n – 1) des aus dem Bereich n – 2 hereinströmenden Sauerstoffs und die Wassermenge H2O_Ca(n – 1), die aus dem Bereich n – 2 hereinströmen, bekannt sind (siehe Bezugszeichen 122).
  • Die relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH kann anhand des Kathodendrucks P_Ca, der Wassermenge H2O_Ca in der Kathode und der Oxidationsgasmenge (der Stickstoffmenge N2 + der Sauerstoffmenge O2) gemäß einem nachstehend aufgeführten Ausdruck berechnet werden. Ca_RH = [P_CaxH2O_Ca/{(N2 + O2) + H2O_Ca}]/(Druck des gesättigten Wasserdampfs) × 100 (3)
  • Alle auf der rechten Seite beinhalteten Parameter des vorstehend erwähnten Ausdrucks (3) können in dem Bereich n – 1 spezifiziert werden, worauf in der nachstehenden Beschreibung eingegangen wird. Dementsprechend kann die relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH in dem Bereich n – 1 unter Verwendung des vorstehenden Ausdrucks (3) berechnet werden (siehe Bezugszeichen 124). Von den vorstehend erwähnten Parametern kann der Kathodendruck P_Ca(n – 1) durch eine proportionale Berechnung anhand der Messwerte der Druckmessanzeigen 36 und 40 am Einlass und am Auslass auf der Kathodenseite einer jeden der Membranelektrodenanordnungen 12 berechnet werden (siehe Bezugszeichen 125). Wie vorstehend beschrieben, ist die Wassermenge H2O_Ca(n – 1) bekannt. Die Stickstoffmenge N2 kann während der Strömungsbewegung derselben als konstant betrachtet werden und kann somit anhand der Luftmenge, die in jede der Membranelektrodenanordnungen 12 strömt, berechnet werden. Die Sauerstoffmenge O2(n – 1) ist wie vorstehend beschrieben bekannt. Der gesättigte Wasserdampfdruck kann anhand der durch die Temperaturmessanzeige 48 erfassten Temperatur T spezifiziert werden.
  • Die Sauerstoffkonzentration im Oxidationsgas kann anhand der Stickstoffmenge N2 und der Sauerstoffmenge O2 gemäß dem nachstehend bekannten Ausdruck berechnet werden. Sauerstoffkonzentration = O2/(N2 + O2) (4)
  • Die Sauerstoffkonzentration im Bereich n – 1 (O2-Konzentration (n – 1)) kann dementsprechend anhand der Stickstoffmenge N2 berechnet werden, die in jeder der Membranelektrodenanordnungen 12 strömt, und der Sauerstoffmenge O2(n – 1), die aus dem Bereich n – 2 herausströmt (siehe Bezugszeichen 126).
  • Das Brenngas strömt aus der Anode im Bereich n – 2 in die Anode im Bereich n – 1, und das in der Anode im Bereich n – 2 vorhandene Wasser strömt in die Anode im Bereich n – 1. Es wird hierin angenommen, dass die Wasserstoffmenge H2(n – 1), der aus dem Bereich n – 2 hereinströmt, und die Wassermenge H2O-An(n – 1), die aus dem Bereich n – 2 hereinströmt, bekannt sind (siehe Bezugszeichen 128).
  • Gemäß einem nachstehend gezeigten Ausdruck kann die relative Anodenfeuchtigkeit An_RH anhand des Anodendrucks P_An, der Wassermenge H2O_An in der Anode und der Wasserstoffmenge H2 berechnet werden. An_RH = {P_An × H2O_An/(H2 + H2O_An)}/Druck des gesättigten Wasserdampfs) × 100 (5)
  • Alle auf der rechten Seite beinhalteten Parameter des vorstehend erwähnten Ausdrucks (5) können im Bereich n – 1 spezifiziert werden, wie nachstehend beschrieben wird. Dementsprechend können die relative Anodenfeuchtigkeit Ca_An im Bereich n – 1 durch Verwendung des vorstehend erwähnten Ausdrucks (5) berechnet werden (siehe Bezugszeichen 130). Von den vorstehend erwähnten Parametern kann der Anodendruck P_An(n – 1) durch proportionale Berechnung anhand der Messwerte der Druckmessanzeigen 42 und 46 am Einlass und am Auslass auf der Anodenseite einer jeden der Membranelektrodenanordnungen 12 berechnet werden (siehe Bezugszeichen 131). Wie vorstehend beschrieben, sind die Wassermenge H2O_An(n – 1) und die Wasserstoffmenge H2(n – 1) bekannt. Der Druck des gesättigten Wasserdampfs kann anhand der durch die Temperaturmessanzeige 48 erfassten Temperatur spezifiziert werden.
  • Wenn die relative Anodenfeuchtigkeit An_RH(n – 1) (130), die relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH(n – 1) (124) und die Sauerstoffkonzentration O2(n – 1) (126) bekannt sind, kann die Stromdichte I unter dem Kathodendruck P_Ca = 140 kPa aus dem in 2A gezeigten Kennfeld herausgelesen werden. Die Stromdichte I unter dem Kathodendruck P_Ca = 200 kPa kann hingegen aus dem in 2B gezeigten Kennfeld herausgelesen werden.
  • Der Kathodendruck P_Ca(n – 1) in dem Bereich n – 1 kann hingegen wie vorstehend beschrieben durch proportionale Berechnung unter Verwendung der Messwerte der Druckmessanzeigen 36 und 40 berechnet werden. Die Stromdichte I ist proportional zum Kathodendruck P_Ca. Die Stromdichte I(n – 1) im Bereich n – 1 kann daher durch proportionale Berechnung auf Basis der Stromdichten I berechnet werden, die aus den in 2(A) bzw. 2(B) gezeigten Kennfeldern herausgelesen werden (siehe Bezugszeichen 132).
  • Ebenso kann der Widerstandswert R im Bereich n – 1 durch Bezugnahme auf die in 3(A) und 3(B) gezeigten Kennfelder berechnet werden (siehe Bezugszeichen 134). Die Wasserübertragungsmenge H2O_m im Bereich n – 1 kann durch Bezugnahme auf die in 4(A) und 4(B) gezeigten Kennfelder berechnet werden (siehe Bezugszeichen 136).
  • Der Sauerstoff wird in einer der Stromdichte I auf der Kathodenseite einer jeden der Membranelektrodenanordnungen 12 entsprechenden Menge verbraucht. Diese Verbrauchsmenge des Sauerstoffs O2_off kann anhand eines nachstehend angeführten Ausdrucks berechnet werden. Dabei ist zu beachten, dass in dem nachstehend gezeigten Ausdruck der Buchstabe F für eine Faraday-Konstante steht. O2_off = I/4/F × 22,4 × 60 (6)
  • Wenn dementsprechend die Stromdichte I(n – 1) im Bereich n – 1 bekannt ist, kann die Sauerstoffverbrauchsmenge O2_off(n – 1) auf der Kathodenseite in diesem Bereich berechnet werden (siehe Bezugszeichen 138). Bei der Sauerstoffmenge O2_(n), die aus dem Bereich n – 1 heraus in den n Bereich strömt, handelt es sich um eine Menge, die durch Subtrahieren der im Bereich n – 1 verbrauchten Sauerstoffmenge O2_off(n – 1) von der in den Bereich n – 1 strömenden Sauerstoffmenge O2_(n – 1) subtrahiert wird, und somit entsprechend einem nachstehend gezeigten Ausdruck berechnet wird (siehe Bezugszeichen 140). O2(n) = O2(n – 1) – O2_off(n – 1) (7)
  • Das Wasser wird in einer der Stromdichte I auf der Kathodenseite von jeder der Membranelektrodenanordnungen 12 entsprechenden Menge erzeugt. Diese Wasserentstehungsmenge H2O kann entsprechend einem nachstehend gezeigten Ausdruck berechnet werden. H2O = I/2/F × 22,4 × 60 (8)
  • Wenn dementsprechend die Stromdichte I(n – 1) im Bereich n – 1 bekannt ist, kann die in der Kathode in diesem Bereich erzeugte Wassermenge H2O(n – 1) berechnet werden (siehe Bezugszeichen 142). Bei der aus dem Bereich n – 1 in die Kathode im Bereich n herausströmenden Wassermenge H2O_Ca(n) handelt es sich um eine Menge, die durch Subtrahieren der Wassermenge H2O_m(n – 1), die von der Kathode zur Anode im Bereich n – 1 übertragen wird, von einer Summe der Wassermenge H2O_Ca(n – 1), die in den Bereich n – 1 strömt, und der im Bereich n – 1 erzeugten Wassermenge H2O(n – 1) erhalten wird und somit durch den nachstehend gezeigten Ausdruck berechnet werden kann (siehe Bezugszeichen 144). H2O_Ca(n) = H2O_Ca(n – 1) + H2O(n – 1) – H2O_m(n – 1) (9)
  • Als nächstes erfolgt eine Beschreibung der Prognose des Leistungserzeugungszustands auf der Anodenseite. Genauer gesagt wird dabei der Wasserstoff in einer der Stromdichte I auf der Anodenseite einer jeden der Membranelektrodenanordnungen 12 entsprechenden Menge verbraucht. Diese Wasserstoffverbrauchsmenge H2_off kann entsprechend einem nachstehend gezeigten Ausdruck berechnet werden. H2_off = I/2/F × 22,4 × 60 (10)
  • Wenn dementsprechend die Stromdichte I(n – 1) im Bereich n – 1 bekannt ist, kann die Wasserstoffverbrauchsmenge H2_off(n – 1) auf der Anodenseite in diesem Bereich berechnet werden (siehe Bezugszeichen 146). Die aus dem n – 1 Bereich heraus in den Bereich n strömende Wasserstoffmenge H2(n) ist eine Menge, die durch Subtrahieren der im Bereich n – 1 verbrauchten Wasserstoffmenge H2_off(n – 1) von der in den Bereich n – 1 strömenden Wasserstoffmenge H2(n – 1) erhalten wird und somit entsprechend einem nachstehend gezeigten Ausdruck berechnet werden kann (siehe Bezugszeichen 148). H2(n) = H2(n – 1) – H2_off(n – 1) (11)
  • Die Wassermenge in der Anode nimmt um die Wassermenge zu, die von der Kathodenseite übertragen wird. Somit handelt es sich bei der Wassermenge H2O_An(n), die aus dem Bereich n – 1 heraus in die Anode im Bereich n strömt, um eine Menge, die durch Addieren der Wasserübertragungsmenge H2O_m(n – 1) im Bereich n – 1 zu der in den Bereich n – 1 strömenden Wassermenge H2O_An(n – 1) erhalten wird. Diese Wassermenge H2O_An(n) kann entsprechend einem nachstehend gezeigten Ausdruck berechnet werden (siehe Bezugszeichen 150). H2O_An(n) = H2O_An(n – 1) + H2O_m(n – 1) (12)
  • Wie vorstehend beschrieben, ermöglichen die vorstehenden Verarbeitungsschritte die Prognose des Leistungserzeugungszustands im Bereich n – 1, wenn die Leistungserzeugungsumgebung in diesem Bereich bekannt ist. Insbesondere können die Stromdichte I(n – 1), der Widerstandswert R(n – 1) und die Wasserübertragungsmenge H2O_m im Bereich n – 1 berechnet werden, wenn die in die Kathode im Bereich n – 1 strömende Sauerstoffmenge O2(n – 1), die in die Kathode im Bereich n – 1 strömende Wassermenge H2O_Ca(n – 1), die in die Anode im Bereich n – 1 strömende Wasserstoffmenge H2(n – 1), die in die Anode im Bereich n – 1 strömende Wassermenge H2O_An(n – 1), der Kathodendruck P_Ca im Bereich n – 1 und der Anodendruck P_An im Bereich n – 1 bekannt sind.
  • Wenn der Leistungserzeugungszustand, der durch die vorstehenden Verarbeitungsschritte prognostiziert wird, auf die Leistungserzeugungsumgebung im Bereich n – 1 reflektiert wird, kann die Leistungserzeugungsumgebung im Bereich n als eine sich daran anschließende Stufe spezifiziert werden. Der vorstehenden Verarbeitung entsprechend ermöglicht die Spezifikation von nur der Leistungserzeugungsumgebung in dem ersten kleinen Bereich somit, dass die Leistungserzeugungsumgebungen und die Leistungserzeugungszustände in den jeweiligen kleinen Bereiche, die mit dem Bereich s enden, der Reihe nach berechnet werden können.
  • In dem in 1 gezeigten System kann die Sauerstoffmenge O2(1), die in die Kathode im ersten Bereich strömt, durch Multiplizieren der Luftmenge, die durch den Kompressor 20 einer Zwangszuführung ausgesetzt wird, mit der Sauerstoffkonzentration in der Luft (die bekannt ist) berechnet werden. Die Wassermenge H2O_Ca(1), die in die Kathode im ersten Bereich strömt, kann auf Basis der Ausgabe bzw. des Ausgangssignals der Taupunktmesseinrichtung 38 auf der Kathodenseite berechnet werden.
  • Die Wasserstoffmenge H2(1), die in die Anode im ersten Bereich strömt, kann auf der Basis des Öffnungsgrads bzw. Öffnungswinkels des Stellventils 28 oder dergleichen erfasst werden. Die Wassermenge H2O_An(1), die in die Anode im ersten Bereich strömt, kann auf der Basis der Ausgabe der Taupunktmesseinrichtung 44 auf der Anodenseite berechnet werden.
  • Darüber hinaus kann der Kathodendruck P_Ca im ersten Bereich durch Vornehmen einer Proportionalrechnung bzw. Dreisatz-Rechnung auf Basis der Ausgabe bzw. des Ausgangssignals der Druckmessanzeige 36 am Einlass der Kathode und der Ausgabe bzw. des Ausgangssignals der Druckmessanzeige 40 am Auslass der Kathode berechnet werden. Ebenso kann der Anodendruck P_An im ersten Bereich durch Vornehmen einer Proportionalrechnung auf Basis der Ausgabe der Druckmessanzeige 42 am Einlass der Anode und der Ausgabe der Druckmessanzeige 46 am Auslass der Anode berechnet werden.
  • Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht das in 1 gezeigte System, dass alle numerischen Werte erhalten werden können, die zum Prognostizieren des Leistungszustands im ersten Bereich notwendig sind. Durch das System dieser Ausführungsform der Erfindung kann dementsprechend per Berechnung prognostiziert werden, in welchem Leistungserzeugungszustand und unter welcher Leistungserzeugungsumgebung sich ein jeweiliger der Bereiche befindet, aus denen die Membranelektrodenanordnungen 12 jeweils bestehen, nämlich jeder der Bereiche, der vom ersten Bereich zum Bereich s verläuft.
  • 8 ist ein Flussdiagramm für eine Routine, die durch die ECU 50 ausgeführt wird, um die vorstehenden Verarbeitungsschritte bzw. die vorstehende Verarbeitung zu realisieren. In der in 8 gezeigten Routine wird zunächst eine Zahl n eines Bereichs auf 1 eingestellt (Schritt S160).
  • Dann wird eine Kathodenzustandsgröße in dem Bereich n berechnet (Schritt 162). Genauer gesagt werden dabei die in die Kathode in dem Bereich n = 1 strömende Sauerstoffmenge O2(n) und die in die Kathode im Bereich n = 1 strömende Wassermenge H2O_Ca(n) berechnet (siehe Bezugszeichen 122 in 7). Der Kathodendruck P_Ca(n) wird dann durch eine Proportionalrechnung basierend auf den Ausgaben der Druckmessanzeigen 36 und 40 berechnet (siehe Bezugszeichen 125 in 7). Zusätzlich werden die relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH(n) und die Sauerstoffkonzentration O2(n) in der Kathode entsprechend den vorstehend angeführten Ausdrücken (3) bzw. (4) berechnet (siehe Bezugszeichen 124 und 126 in 7).
  • In der in 8 gezeigten Routine wird dann eine Anodenzustandsgröße in dem Bereich n berechnet (Schritt 164). Insbesondere werden die in die Anode im Bereich n = 1 strömende Wasserstoffmenge H2(n) und die in die Anode im Bereich n = 1 strömende Wassermenge H2O_An(n) berechnet (siehe Bezugszeichen 128 in 7). Der Anodendruck P_An(n) wird dann durch eine Proportionalrechnung bzw. einen Dreisatz basierend auf den Ausgaben der Druckmessanzeigen 42 und 46 berechnet (siehe Bezugszeichen 131 in 7). Darüber hinaus wird die relative Anodenfeuchtigkeit An_RH(n) entsprechend dem vorstehend erwähnten Ausdruck (5) berechnet (siehe Bezugszeichen 130 in 7).
  • Dann erfolgt die Berechnung eines Leistungserzeugungszustands im Bereich n, nämlich einer Zustandsgröße der Brennstoffzelle im Bereich n (Schritt 166). Insbesondere werden zunächst die Stromdichten I aus den in 2(A) bzw. 2(B) gezeigten Kennfeldern herausgelesen. Insbesondere wird die Stromdichte I in dem Fall, wenn der Kathodendruck P_Ca 140 kPa beträgt, aus dem in 2A gezeigten Kennfeld herausgelesen. Die Stromdichte I wird in dem Fall, wenn der Kathodendruck P_Ca 200 kPa beträgt, aus dem in 2B gezeigten Kennfeld herausgelesen. In diesem Schritt wird die Stromdichte I, die dem Kathodendruck P_Ca(n) entspricht, dadurch berechnet, dass diese Kennfeldwerte einer Proportionalrechnung unterzogen werden (siehe Bezugszeichen 132 in 7).
  • In dem vorstehend erwähnten Schritt 166 wird der Widerstandswert R(n) unter Bezugnahme auf die in 3(A) und 3(B) gezeigten Kennfelder berechnet (siehe Bezugszeichen 134 in 7). Darüber hinaus wird die Wasserübertragungsmenge H2O_m(n) durch Bezugnahme auf die in 4(A)und 4(B) gezeigten Kennfelder berechnet (siehe Bezugszeichen 136 in 7). Das Berechnungsverfahren des Widerstandswerts R(n), der dem Kathodendruck P_Ca(n) entspricht, und der Wasserübertragungsmenge H2O_m(n), die dem Kathodendruck P_Ca(n) entspricht, anhand der beiden Kennfeldwerte ist mit dem Berechnungsverfahren im Fall der Stromdichte I identisch, und wird somit nachstehend nicht ausführlicher beschrieben.
  • Dann erfolgt die Berechnung der Erzeugungs- und Verbrauchsmengen im Bereich n (Schritt 168). Insbesondere werden die Sauerstoffmenge O2_off(n), die auf der Kathodenseite verbraucht wird, und die Wasserentstehungsmenge H2O(n) entsprechend den vorstehend erwähnten Ausdrücken (6) bzw. (8) berechnet (siehe Bezugszeichen 138 und 142 in 7). Darüber hinaus wird die auf der Anodenseite verbrauchte Wasserstoffmenge H2_off(n) entsprechend dem vorstehend erwähnten Ausdruck (10) berechnet (siehe Bezugszeichen 146 in 7).
  • Wenn die vorstehenden Verarbeitungsschritte abgeschlossen sind, wird bestimmt, ob der Bereich mit der Zahl n einen endgültigen Wert s erreicht hat (Schritt 170). Wenn infolgedessen bestimmt wird, dass der Bereich mit der Zahl n den Wert s nicht erreicht hat, wird die Zahl n des Bereichs inkrementiert bzw. erhöht (Schritt 172), und die Verarbeitungsschritte, die bei dem vorstehend erwähnten Schritt 162 beginnen, werden erneut ausgeführt.
  • Wenn der Bereich mit der Zahl n größer oder gleich 2 ist, werden die Sauerstoffmenge O2(n) in der Kathode und die Wassermenge H2O_Ca in der Kathode entsprechend den vorstehenden Ausdrücken (7) bzw. (9) in Schritt 162 (siehe Bezugszei chen 140 und 144 in 7) berechnet. In diesem Fall werden die Wasserstoffmenge H2(n) in der Anode und die Wassermenge H2O_An in der Anode entsprechend den vorstehend angeführten Ausdrücken (11) bzw. (12) in Schritt S164 berechnet.
  • Danach werden die vorstehend erwähnten Verarbeitungsschritte immer wieder ausgeführt, bis in Schritt 170 bestimmt wird, dass eine Beziehung: n = s hergestellt ist. Dabei werden die Leistungserzeugungsumgebungen und die Leistungserzeugungszustände in allen Bereichen berechnet, die vom ersten Bereich bis zum Bereich s verlaufen. Das heißt, dass entsprechend den vorstehend angeführten Verarbeitungsschritten die Verteilung der Leistungserzeugungsumgebung und des Leistungserzeugungszustands in jeder der Membranelektrodenanordnungen 12 unter Hinzuziehung der vorstehend erwähnten kleinen Bereichs als vernetzte Einheit prognostiziert werden kann.
  • In der vorstehenden ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Temperatur einer jeden der Membranelektrodenanordnungen 12 über deren gesamter Ebene homogen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Merkmal beschränkt. Das heißt, dass in dem Fall, wo die Temperatur einer jeden der Membranelektrodenanordnungen 12 auf der Ebene verteilt ist, die Verteilung des Leistungserzeugungszustands unter Berücksichtigung der Verteilung der Temperatur prognostiziert werden kann. Die Prognose, bei der die Temperaturverteilung berücksichtigt wird, kann z. B. dem nachstehenden Verfahren entsprechend realisiert werden.
  • Für eine Mehrzahl von Temperaturen werden jeweils Kennfelder, in denen die Stromdichte I, der Widerstand R und die Wasserübertragungsmenge H2O berücksichtigt werden, erstellt. Die jeweiligen Kennfelder werden festgelegt, indem die Stromdichte I, der Widerstandswert R und die Wasserübertragungsmenge H2O gemessen werden, während die Temperatur des Membranelektrodenanordnungs-Stücks 60 geändert wird (siehe 5). Die Temperatur in jedem der kleinen Bereiche von einer jeweiligen der Membranelektrodenanordnungen 12 wird dadurch prognostiziert, dass der Wärmeerzeugungsbetrag in demjenigen der kleinen Bereiche, der sich stromauf des Strömungswegs der Reaktionsgase befindet, auf die Temperatur in diesem Bereich reflektiert wird. Der Wärmeerzeugungsbetrag wird auf der Basis der Stromdichte I in diesem Bereich be rechnet. Wenn die Temperatur in diesem Bereich bekannt ist, werden die Stromdichte I, der Widerstandswert R und die Wasserübertragungsmenge H2O_m, die der Temperatur in diesem Bereich entsprechen, durch Proportionalrechnung bzw. Dreisatz auf Basis von Kennfeldwerten, die aus der Mehrzahl der Kennfelder herausgelesen werden, die für die jeweiligen Temperaturen erstellt worden sind, berechnet.
  • In der vorstehenden ersten Ausführungsform der Erfindung wird außerdem auch die Verteilung des Widerstandswerts R einer jeden der Membranelektrodenanordnungen 12 prognostiziert. Auf die Prognose des Widerstandswerts R kann verzichtet werden, fall diese nicht notwendig ist.
  • In der vorstehenden ersten Ausführungsform der Erfindung wird die Messung unter Verwendung des Membranelektrodenanordnungs-Stücks 60 (siehe 5) im Hinblick darauf ausgeführt, den Vorgang des Erstellen bzw. Festlegens der Kennfelder zu vereinfachen. Das Verfahren des Erstellens der in 2 bis 4 gezeigten Kennfelder ist nicht auf diese Messung begrenzt. Der Vorgang des Erstellens der Kennfelder kann unter Verwendung einer jeweiligen der Membranelektrodenanordnungen 12 ausgeführt werden, das als ein zu messendes Objekt verwendet wird.
  • In der vorstehenden ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Taupunktmesseinrichtung 44 am Einlass auf der Anodenseite sowie für den Fall angeordnet, dass der Brennstoffzelle 10 ein befeuchtetes Wasserstoffgas der Anode zugeführt wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Das heißt, dass auf die vorstehende Taupunktmesseinrichtung 44 dann verzichtet werden kann, wenn ein der Anode zugeführtes Brenngas nicht befeuchtet ist.
  • In der vorstehenden ersten Ausführungsform der Erfindung sind die Druckmessanzeigen 42 und 46 an zwei Stellen angeordnet, nämlich dem Einlass bzw. dem Auslass, so dass der Anodendruck P_An prognostiziert werden kann. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Das heißt, dass die Verteilung des Drucks innerhalb einer jeden der Membranelektrodenanordnungen 12 abgeschätzt werden kann, wenn der an entweder dem Einlass oder dem Auslass vorliegende Druck be kannt ist. Daher kann nur eine der Druckmessanzeigen auf der Anodenseite auf entweder der Einlassseite oder der Auslassseite angeordnet sein. In dieser Hinsicht gilt das gleiche für die Druckmessanzeigen auf der Kathodenseite.
  • In der vorstehenden ersten Ausführungsform können in der ECU 50 die in 2A und 2B gezeigten Kennfelder gespeichert werden, so dass die „Leistungserzeugungskennlinien-Speichereinrichtungen” realisiert sind. In der ECU 50 können die vorstehend angeführten Ausdrücke (6), (8) und 10) gespeichert werden, so dass die „Verbrauchserzeugungskennlinien-Speichereinrichtung” realisiert ist. Der Kompressor 20, die Befeuchtungseinrichtung 18, das Stellventil 28 und der Wasserstofftank 30 können der „Einlassumgebungs-Festlegungseinrichtung” entsprechen. Die ECU 50 kann die Berechnungsverarbeitungsschritte mit jeder der in die vorstehend erwähnten kleinen Bereiche aufgeteilten Membranelektrodenanordnungen 12 fortsetzen, so dass die „Einrichtung zum Definieren der kleinen Bereiche” realisiert ist. Die ECU 50 kann die Stromdichte I(n) im Schritt 166 berechnen, so dass die „Einrichtung zum Berechnen der Leistungserzeugungsmenge” realisiert ist, und kann die Verarbeitung des Schritts 168 ausführen, so dass die „Einrichtung zum Berechnen der Verbrauchserzeugungsmenge” realisiert ist. Darüber hinaus kann die ECU 50 die Sauerstoffmenge O2(n) und die Wassermenge H2O_Ca(n) entsprechend den vorstehend erwähnten Ausdrücken (7) bzw. (9) in Schritt 162 berechnen und die Wasserstoffmenge H2(n) und die Wassermenge H2O_An(n) entsprechend den vorstehend erwähnten Ausdrücken (11) bzw. (12) in Schritt 164 berechnen, so dass die „Einrichtung zum Aktualisieren einer Leistungserzeugungsumgebung” realisiert ist.
  • In der vorstehenden ersten Ausführungsform der Erfindung können in der ECU 50 die in 3A und 3B gezeigten Kennfelder gespeichert werden, so dass die „Einrichtung zum Speichern der Widerstandskennlinie” realisiert ist. Die ECU 50 kann den Widerstandswert R(n) bei Schritt 166 berechnen, so dass die „Einrichtung zum Berechnen des Widerstandswerts” realisiert ist.
  • In der vorstehenden ersten Ausführungsform der Erfindung können in der ECU 50 die in 4A und 4B gezeigten Kennfelder gespeichert sein, so dass die „Einrichtung zum Speichern einer Wasserübertragungskennlinie” realisiert ist. Die ECU 50 kann in Schritt S166 die Wasserübertragungsmenge H2O_m(n) berechnen, so dass die „Einrichtung zum Berechnen einer Wasserübertragungsmenge” realisiert ist. Zudem kann die ECU 50 in Schritt 162 die Wassermenge H2O_Ca(n) entsprechend dem vorstehend erwähnten Ausdruck (9) berechnen, so dass die „Einrichtung zum Aktualisieren der Kathodenwassermenge” realisiert ist, und kann die Wassermenge H2O_An(n) entsprechend dem vorstehend erwähnten Ausdruck (12) in Schritt 164 berechnen, so dass die „Einrichtung zum Aktualisieren der Anodenwassermenge” realisiert ist.
  • In der vorstehenden ersten Ausführungsform der Erfindung kann die ECU 50 die Sauerstoffverbrauchsmenge O2_off(n) entsprechend dem vorstehend angeführten Ausdruck (6) in Schritt 168 berechnen, so dass die „Einrichtung zum Berechnen der Sauerstoffverbrauchsmenge” realisiert ist, und kann die Wasserstoffverbrauchsmenge H2_off(n) gemäß dem vorstehend angeführten Ausdruck (10) in Schritt 168 berechnen, so dass die „Einrichtung zum Berechnen der Wasserstoffverbrauchsmenge” realisiert ist. Ferner kann die ECU 50 die Sauerstoffmenge O2(n) entsprechend dem vorstehend angeführten Ausdruck (7) in Schritt 162 berechnen, so dass die „Einrichtung zum Aktualisieren der Sauerstoffmenge” realisiert ist, und kann die Wasserstoffmenge H2(n) entsprechend dem vorstehend angeführten Ausdruck (11) in Schritt 164 berechnen, so dass die „Einrichtung zum Aktualisieren einer Wasserstoffmenge” realisiert ist.
  • Als nächstes wird die zweite Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die 9 bis 12 beschrieben. Die Hardware-Konfiguration dieser Ausführungsform der Erfindung ist mit der in 1 gezeigten Konfiguration bis auf die Ausnahme identisch, dass der Oxidationsgas-Strömungskanal und der Brenngas-Strömungskanal von jeder der Membranelektrodenanordnungen 12 einen Gegenstromkanal bilden. Das System gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung wird realisiert, indem bewirkt wird, dass die ECU 50 eine in 11 gezeigte Routine, auf die später in der Beschreibung eingegangen wird, in dieser Hardware-Konfiguration ausführt.
  • Wie vorstehend beschrieben, bilden in dem System gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung der Oxidationsgas-Strömungskanal und der Brenngas-Strömungskanal einer jeden der Membranelektrodenanordnungen 12 einen Parallelstromkanal. Genauer gesagt strömen in der ersten Ausführungsform der Erfindung das Oxidationsgas auf der Kathodenseite und das Brenngas auf der Anodenseite in der gleichen Richtung. In diesem Fall legen die Leistungserzeugungsumgebung und der Leistungserzeugungszustand im Bereich n – 1 die Leistungserzeugungsumgebung im Bereich n auf sowohl der Anodenseite als auch der Kathodenseite fest. Somit kann in dem System gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung die Leistungserzeugungsumgebung und der Leistungserzeugungszustand in dem ersten Bereich auf der Basis der Zustände des Einlasses der Anode und des Einlasses der Kathode prognostiziert werden. Danach können die Leistungserzeugungsumgebungen und die Leistungserzeugungszustände für die jeweiligen mit dem Bereich s endenden kleinen Bereiche prognostiziert werden.
  • In dem Fall jedoch, in dem die Brenngasleitung auf der Kathodenseite und die Brenngasleitung auf der Anodenseite den Gegenstromkanal ausbilden, führt der Einlass der Anode zum Bereich s, und zwar unter der Annahme, dass der Einlass der Kathode zu dem ersten Bereich führt. In diesem Fall wird durch den Zustand im Bereich n – 1 der Zustand im Bereich n auf der Kathodenseite festgelegt, wohingegen der Zustand im Bereich n + 1 den Zustand im Bereich n auf der Anodenseite festlegt.
  • Wenn z. B. sowohl bei der Kathode als auch der Anode davon ausgegangen wird, das mit der Prognose bei dem einen der kleinen Bereiche begonnen wird, der benachbart zum Einlass angeordnet ist, wird der Leistungserzeugungszustand in dem ersten kleinen Bereich zunächst auf Basis des Zustands des Kathodeneinlasses auf der Kathodenseite prognostiziert. Der Leistungserzeugungszustand im Bereich s hingegen wird auf Basis des Zustands des Anodeneinlasses zu diesem Steuerzeitpunkt auf der Anodenseite prognostiziert. Genauer gesagt kann zu diesem Steuerzeitpunkt die Leistungserzeugungsumgebung auf der Anodenseite in dem ersten Bereich nicht prognostiziert werden, obwohl die Leistungserzeugungsumgebung auf der Kathodenseite in dem ersten Bereich prognostiziert werden kann. Im Bereich s tritt genau das Gegenteil auf.
  • Wie unter Bezugnahme auf 7 beschrieben ist, können die Stromdichte I(n – 1), der Widerstandswert R(n – 1) und die Wasserübertragungsmenge H2O_m(n – 1) in einem bestimmten der kleinen Bereiche (dem Bereich (n – 1)) erst prognostiziert werden, wenn sowohl die Umgebung auf der Kathodenseite in diesem Bereich als auch die Umgebung auf der Anodenseite in diesem Bereich spezifiziert sind. Wenn die Stromdichte I(n – 1) und die Wasserübertragungsmenge H2O_m(n – 1) nicht festgelegt sind, können die Sauerstoffverbrauchsmenge O2_off(n – 1) im Bereich (n – 1), die Wasserstoffverbrauchsmenge H2_off(n – 1) im Bereich (n – 1) und die Wasserentstehungsmenge H2O(n – 1) im Bereich (n – 1) nicht prognostiziert werden. In dem Fall, in dem die Oxidationsgasleitung und die Brenngasleitung den Gegenstromkanal ausbilden, können somit die Leistungserzeugungsumgebungen und die Leistungserzeugungszustände in allen kleinen Bereichen aus der Mehrzahl der kleinen Bereiche nicht aufeinanderfolgend gemäß dem selben Verfahren wie in der ersten Ausführungsform der Erfindung prognostiziert werden.
  • 9 und 10 sind Diagramme zur Erläuterung eines Verfahrens zum Prognostizieren von Leistungserzeugungsumgebungen und Leistungserzeugungszuständen in den jeweiligen kleinen Bereichen in dem Fall, wo die Oxidationsgasleitung und die Brenngasleitung den Gegenstromkanal ausbilden. Genauer gesagt handelt es sich bei 9 um ein Diagramm, das ein Verfahren erläutert, bei dem die Leistungserzeugungsumgebungen und die Leistungserzeugungszustände auf der Kathodenseite aufeinanderfolgend prognostiziert werden. 10 ist ein Diagramm, das ein Verfahren erläutert, mit dem die Leistungserzeugungsumgebungen und die Leistungserzeugungszustände auf der Anodenseite aufeinanderfolgend prognostiziert werden.
  • In dieser Ausführungsform der Erfindung weist die ECU 50 einen Kathoden-Speicherbereich (siehe oberer Abschnitt von 9 und unterer Abschnitt von 10) und einen Anoden-Speicherbereich (siehe unterer Bereich von 9 und oberer Bereich von 10) auf. Der Kathoden-Speicherbereich dient dazu, die relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH und die Sauerstoffkonzentration O2 in jedem der kleinen Bereiche zu speichern. Der Anodenspeicherbereich dient hingegen dazu, die relative Anodenfeuchtigkeit An_RH in jedem der kleinen Bereiche zu speichern.
  • Wie in 9 gezeigt ist, ist im Anoden-Speicherbereich der ECU 50 die relative Anodenfeuchtigkeit An_RH entsprechend jedem der kleinen Bereiche gespeichert. Wie unter Bezugnahme auf 7 beschrieben ist, können die Stromdichte I(i), der Widerstandswert R(i) und die Wasserübertragungsmenge H2O_m(i) in einem bestimmten der kleinen Bereiche (einem Bereich i) berechnet werden, wenn die relative Anodenfeuchtigkeit An_RH(i) zusätzlich zur Leistungserzeugungsumgebung auf der Kathodenseite spezifiziert werden kann. Wenn somit die Leistungserzeugungsumgebung auf der Kathodenseite im Bereich i spezifiziert werden kann, kann der Leistungserzeugungszustand im Bereich i prognostiziert werden, indem die relative Anodenfeuchtigkeit An_RH(i) aus dem Anoden-Speicherbereich herausgelesen wird. Darüber hinaus kann die Leistungserzeugungsumgebung im Bereich (i + 1), der sich bei einer daran anschließenden Stufe befindet, prognostiziert werden. Durch Wiederholen dieser Verarbeitungsschritte können die Leistungserzeugungsumgebungen und die Leistungserzeugungszustände in allen kleinen Bereichen, die vom ersten kleinen Bereich bis zum Bereich s verlaufen, aufeinanderfolgend bzw. Reihe nach prognostiziert werden.
  • In dieser Ausführungsform der Erfindung berechnet die ECU 50 anhand des vorstehend erwähnten Verfahrens die Leistungserzeugungsumgebungen auf der Kathodenseite in den jeweiligen kleinen Bereichen und die Leistungserzeugungszustände in den jeweiligen kleinen Bereichen entsprechend der Reihenfolge, die der Oxidationsgasströmung auf der Kathodenseite entspricht. In diesem Berechnungsvorgang werden die relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH(i) und eine Sauerstoffkonzentration O2(i) in jedem der kleinen Bereiche (i) berechnet. Wie in 9 gezeigt ist, speichert die ECU 50 die so berechnete relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH(i) und die Sauerstoffkonzentration O2(i) in dem Kathoden-Speicherbereich als Daten über die sich daran anschließende Stufe, nämlich als Daten über den Bereich i + 1.
  • 10 zeigt ein Verfahren gemäß dem die ECU 50 jeden der Zustände auf der Anodenseite unter Verwendung der relativen Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH und der Sauerstoffkonzentration O2, die in dem Kathoden-Speicherbereich gespeichert sind, nacheinander bzw. aufeinanderfolgend berechnet. Wenn die relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH(i) und die Sauerstoffkonzentration O2(i) sowie die Leistungserzeugungs umgebung auf der Anodenseite in dem Bereich i spezifiziert werden können, kann die ECU 50 die Stromdichte I(i), den Widerstandswert R(i) und die Wasserübertragungsmenge H2O_m(i) berechnen. Wenn somit die Leistungserzeugungsumgebung auf der Anodenseite im Bereich I spezifiziert werden können, kann der Leistungserzeugungszustand im Bereich I prognostiziert werden, indem die relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH(i) und die Sauerstoffkonzentration O2(i) aus dem Kathoden-Speicherbereich herausgelesen werden. Darüber hinaus kann die Leistungserzeugungsumgebung im Bereich (i – 1), der sich an der vorhergehenden Stufe befindet, prognostiziert werden. Indem diese Verfahrensschritte wiederholt werden, können die Leistungserzeugungsumgebungen und die Leistungserzeugungszustände in allen kleinen Bereichen, die vom Bereich s bis zum ersten Bereich verlaufen, der Reihe nach bzw. aufeinanderfolgend prognostiziert werden.
  • In dieser Ausführungsform der Erfindung berechnet die ECU 50 anhand des vorstehend angeführten Verfahrens die Leistungserzeugungsumgebungen auf der Anodenseite in den jeweiligen kleinen Bereichen und die Leistungserzeugungszustände in den jeweiligen kleinen Bereichen in der Reihenfolge, die der Strömung des Brenngases auf der Anodenseite entspricht. In diesem Berechnungsvorgang wird die relative Anodenfeuchtigkeit An_RH(i) in jedem der kleinen Bereiche (i) berechnet. Wie in 10 gezeigt ist, speichert die ECU 50 die so berechnete relative Anodenfeuchtigkeit An_RH(i) in den Anoden-Speicherbereich als Daten über die vorherige Stufe, nämlich als Daten über den Bereich i – 1.
  • Wie vorstehend beschrieben, führt die ECU 50 in dieser Ausführungsform der Erfindung die Verarbeitungsschritte des aufeinanderfolgenden Prognostizierens der Leistungserzeugungsumgebungen und der Leistungserzeugungszustände auf sowohl der Kathodenseite als auch der Anodenseite parallel zueinander aus. Die Verarbeitung auf der Kathodenseite wird unter Verwendung der relativen Anodenfeuchtigkeit An_RH ausgeführt, die im Anoden-Speicherbereich einen Zyklus früher gespeichert worden ist. Die Verarbeitung auf der Anodenseite wird hingegen unter Verwendung der relativen Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH und der Sauerstoffkonzentration O2 ausgeführt, die in dem Kathoden-Speicherbereich einen Zyklus früher gespeichert worden sind.
  • Die Prognoseverarbeitung unter Verwendung der Leistungserzeugungsumgebung auf der Kathodenseite zu einem Zeitpunkt t1 und der relativen Anodenfeuchtigkeit An_RH zu einem Zeitpunkt t0, der einen Zyklus früher als der Zeitpunkt t1 eintritt, wird auf der Kathodenseite zum Zeitpunkt t1 ausgeführt. Ebenso wird die Prognoseverarbeitung unter Verwendung der Leistungserzeugungsumgebung auf der Anodenseite zum Zeitpunkt t1, der relativen Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH zum Zeitpunkt t0 und der Sauerstoffkonzentration O2 zum Zeitpunkt t0 auf der Anodenseite ausgeführt.
  • In dieser Ausführungsform der Erfindung werden die relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH(i) und die Sauerstoffkonzentration O2(ni), die im Bereich i erhalten wurden, im Kathoden-Speicherbereich als Daten über den Bereich (i + 1) gespeichert, so dass der Einfluss durch die vorstehend erwähnte Zeitdifferenz ausgeschlossen werden kann. Während auf der Kathodenseite das Oxidationsgas strömt, geht der Zustand im Bereich i im Laufe der Zeit auf die Seite der sich daran anschließende Stufe über. Wenn die im Bereich i erhaltenen Daten als Daten über den Bereich i + 1 gespeichert werden, kann der oben erwähnte Einfluss durch die Zeitdifferenz entsprechend einem Zyklus eingeschränkt werden. Aus dem gleichen Grund kann auch auf der Anodenseite der Einfluss durch die einem Zyklus entsprechende Zeitdifferenz mit Hilfe des Verfahrens gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung zufriedenstellend eingeschränkt werden. Daher können gemäß dem System dieser Ausführungsform der Erfindung die Leistungserzeugungsumgebungen und die Leistungserzeugungszustände durch die Verarbeitung auf der Kathodenseite und die Verarbeitung auf der Anodenseite exakt prognostiziert werden.
  • 11 ist ein Flussdiagramm der durch die ECU 50 in dieser Ausführungsform der Erfindung ausgeführten Routine. In der in 11 gezeigten Routine werden zunächst die Zahlen der Bereiche initialisiert (Schritt 180). Genauer gesagt wird die Zahl des Bereichs n, der das Objekt darstellt, das auf der Kathodenseite verarbeitet werden soll, auf 1 gesetzt. Eine Zahl N eines Bereichs, die das auf der Anodenseite zu verarbeitende Objekt darstellt, wird auf s gesetzt.
  • Eine Kathodenzustandsgröße im n-Bereich (dem ersten Bereich) wird dann berechnet (Schritt 182). In diesem Schritt 182 werden die Sauerstoffmenge O2(n) in der Kathode, die Wassermenge H2O_Ca(n) in der Kathode, die relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH(n), die Sauerstoffkonzentration O2(n) in der Kathode und der Kathodendruck P_Ca(n) durch die gleiche Verarbeitung wie in dem in 8 gezeigten Schritt 162 berechnet (siehe Bezugszeichen 122, 124, 125 und 126 in 7).
  • Die relative Anodenfeuchtigkeit An_RH(n), die dem Bereich n entspricht, wird dann aus dem Anoden-Speicherbereich herausgelesen (Schritt 184).
  • Dann wird der Leistungserzeugungszustand im Bereich n berechnet (Schritt 186). Wie unter Bezugnahme auf 7 beschrieben ist, können die Stromdichte I(n), der Widerstandswert R(n) und die Wasserübertragungsmenge H2O_m(n) aus den in 2 bis 4 gezeigten Kennfeldern herausgelesen werden, wenn die relative Anodenfeuchtigkeit An_RH(n) (siehe Bezugszeichen 130 in 7) neben der Leistungserzeugungsumgebung auf der Kathodenseite festgelegt wird. In diesem Fall werden diese Werte aus den Kennfeldern herausgelesen, die auf den Parameter basieren, die durch die vorstehend erwähnten Verarbeitungsschritte der Schritte 182 und 184 spezifiziert werden.
  • Dann werden die auf der Kathodenseite verbrauchte Sauerstoffmenge O2_off(n) und die auf der Kathodenseite entstandene Wassermenge H2O(n) berechnet (Schritt 188). Die Sauerstoffverbrauchsmenge O2_off(n) wird entsprechend dem vorstehend erwähnten Ausdruck (6) berechnet. Die Wasserentstehungsmenge H2O(n) wird entsprechend dem vorstehend angegebenen Ausdruck (8) berechnet (siehe Bezugszeichen 138 und 142 in 7).
  • Anschließend wird die Anodenzustands-Größe im Bereich N (Bereich s) berechnet (Schritt 190). In diesem Schritt 190 werden die Wasserstoffmenge H2(N), die Wassermenge H2O_An(N) in der Anode, die relative Anodenfeuchtigkeit An_RH(N), der Anodendruck P_An(N) durch die gleiche Verarbeitung wie in Schritt 164 berechnet, der in 8 gezeigt ist (siehe Bezugszeichen 128, 130 und 131 in 7).
  • Die relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH(N), die dem Bereich N entspricht, wird dann aus dem Kathoden-Speicherbereich herausgelesen (Schritt 192). Darüber hinaus wird der Kathodendruck P_Ca(N) auf Basis der Ausgaben der Druckmessanzeigen 36 und 40 auf der Kathodenseite berechnet (Schritt 193).
  • Der Leistungserzeugungszustand im Bereich N wird dann berechnet (Schritt 194). Wie unter Bezugnahme auf 7 beschrieben ist, können die Stromdichte I(N), der Widerstandswert R(N) und die Wasserübertragungsmenge H2O_m(N) aus den in 2 bis 4 gezeigten Kennfeldern herausgelesen werden, wenn die relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH(N), der Kathodendruck P_Ca(N) und die Sauerstoffkonzentration O2(N) zusätzlich zur Leistungserzeugungsumgebung auf der Anodenseite festgelegt sind (siehe Bezugszeichen 124, 125 und 126 in 7). In diesem Fall werden diese Werte aus den Kennfeldern herausgelesen, die auf den durch die vorstehend angegebenen Verarbeitungen der Schritte 190 bis 193 spezifizierten Parameter basieren.
  • Anschließend wird die auf der Anodenseite verbrauchte Wasserstoffmenge H2_off(N) berechnet (Schritt 196). Die Wasserstoffverbrauchsmenge H2_off(N) wird entsprechend dem vorstehend angegeben Ausdruck (10) berechnet (siehe Bezugszeichen 146 in 7).
  • Wenn die vorstehenden Verarbeitungen abgeschlossen sind, wird bestimmt, ob der Bereich mit der Zahl n auf der Kathodenseite s erreicht hat oder nicht und ob der Bereich mit der Zahl N auf der Anodenseite 1 erreicht hat (Schritt 198). Wenn diese Bestimmung folglich negativ ist, wird der Bereich mit der Zahl n inkrementiert und der Bereich mit der Zahl N dekrementiert (Schritt 200). Danach werden die vorstehend angegebenen Verarbeitungsschritte ausgeführt, die bei Schritt 182 beginnen.
  • Wenn der Bereich mit der Zahl n größer oder gleich 2 ist, werden die Sauerstoffmenge O2(n) in der Kathode und die Wassermenge H2O_Ca in der Kathode gemäß den vorstehend angegebenen Ausdrücken (7) bzw. (9) in Schritt 182 berechnet (siehe Bezugszeichen 140 und 144 in 7). In diesem Fall werden die Wasserstoffmenge H2(n) in der Anode und die Wassermenge H2O_An in der Anode entsprechend den vorstehend angegebenen Ausdrücken (11) bzw. (12) in Schritt 190 berechnet.
  • Danach werden die vorstehenden Verarbeitungen wiederholt ausgeführt, bis in Schritt 198 bestimmt wird, dass die Beziehungen: n = s und N = 1 erfüllt sind. Dabei werden die Leistungserzeugungsumgebungen und die Leistungserzeugungszustände in allen Bereichen berechnet, die vom ersten Bereich bis zum Bereich s verlaufen.
  • Wenn die einem Zyklus entsprechenden Verarbeitungen bzw. Verarbeitungsschritte auf sowohl der Kathodenseite als auch der Anodenseite nach Wiederholung der vorstehenden Verarbeitungen abgeschlossen sind, ist die Bedingung von Schritt 198 erfüllt. In diesem Fall speichert die ECU 50 dann die relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH(i) im Bereich i (i = 1 bis s) und die Sauerstoffkonzentration O2(i) im Bereich i (i = 1 bis ) im Kathoden-Speicherbereich als Daten über den Bereich (i + 1) (Schritt 202).
  • Die ECU 50 speichert zudem die relative Anodenfeuchtigkeit An_RH(i) im Bereich i (i = 1 bis s) im Anoden-Speicherbereich als Daten über den Bereich (i – 1) (Schritt 204). Die unter Bezugnahme auf 9 beschriebenen Verarbeitungen werden durch die vorhergehenden Verarbeitungen bzw. Verarbeitungsschritte realisiert. Dabei werden Vorbereitungen getroffen, um die Leistungserzeugungsumgebungen und die Leistungserzeugungszustände auf sowohl der Kathodenseite als auch der Anodenseite während eines anschließenden Verarbeitungszyklus exakt zu prognostizieren.
  • Gemäß der in 11 gezeigten Routine wird der Leistungserzeugungszustand, auf den die Leistungserzeugungsumgebung auf der Kathodenseite in Echtzeit reflektiert wird, in Schritt 186 berechnet. Der Leistungserzeugungszustand, auf den die Leistungserzeugungsumgebung auf der Anodenseite in Echtzeit reflektiert wird, wird im vorstehend angegebenen Schritt 194 berechnet. Diese beiden Leistungserzeugungszustände nähern sich schließlich durch Wiederholung einer prädiktiven Berechnung im Wesentlichen einem identischen Wert an. Die Verteilung der Leistungserzeugungsumgebung und des Leistungserzeugungszustands zu dem Zeitpunkt, wenn sich diese Leistungser zeugungszustände einem identischen Wert genähert haben, kann als die Verteilung in einem stationären Zustand betrachtet werden. Dann also, wenn das System gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, kann die prädiktive Berechnung beendet werden, sobald der Leistungserzeugungszustand, der bei Schritt 186 erhalten wird, und der Leistungserzeugungszustand, der bei Schritt 194 erhalten wird, einander entsprechen.
  • 12 ist ein Ergebnis der Prognose einer Verteilung, die durch das System gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung vorgenommen wird. In 12 z. B. nimmt die Sauerstoffkonzentration O2 im Wesentlichen proportional mit einem größer werdenden Abstand vom Einlass der Kathode ab. Die Stromdichte I zeigt eine Tendenz, vorübergehend anzusteigen und dann abzunehmen, wenn der Abstand vom Einlass der Kathode größer wird. Die Veränderungen in diesen Werten stimmen exakt mit der Tendenz überein, zu der es in jeder der Membranelektrodenanordnungen 12 tatsächlich gekommen ist. Das gleiche gilt für die anderen in 12 gezeigten Werte (den Widerstandswert R, die relative Anodenfeuchtigkeit An_RH und die relative Kathodenfeuchtigkeit Ca_RH). Wie aus diesen Prognoseergebnisse hervorgeht, ermöglicht es das System gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung, die in der Ebene einer jeden der Membranelektrodenanordnungen 12 eintretende Verteilung exakt zu prognostizieren.
  • In der vorstehenden zweiten Ausführungsform der Erfindung kann die ECU 50 die Stromdichten I(n) in den Schritten 186 und 194 berechnen, so dass die „Einrichtung zum Berechnen der Leistungserzeugungsmenge” realisiert ist, und kann die Verarbeitungen der Schritte 188 und 196 ausführen, so dass die „Einrichtung zum Berechnen der Verbrauchs-Erzeugungsmenge” realisiert ist. Ferner kann die ECU 50 die Sauerstoffmenge O2(n) und die Wassermenge H2O_Ca(n) gemäß den vorstehend angegebenen Ausdrücken (7) bzw. (9) in Schritt 182 berechnen und die Wasserstoffmenge H2(n) und die Wassermenge H2O_An(n) gemäß den vorstehend angegebenen Ausdrücken (11) bzw. (12) in Schritt 190 berechnen, so dass die „Einrichtung zum Aktualisieren der Leistungserzeugungsumgebung” realisiert ist.
  • In der vorstehenden zweiten Ausführungsform der Erfindung kann die ECU 50 die Widerstandswerte R(n) in den Schritten 186 und 194 berechnen, so dass die „Einrichtung zum Berechnen des Widerstandswerts” realisiert ist.
  • In der vorstehenden zweiten Ausführungsform der Erfindung kann die ECU 50 die Wasserübertragungsmengen H2O_m(n) in den Schritten 186 und 194 berechnen, so dass die „Einrichtung zum Berechnen der Wasserübertragungsmenge” realisiert ist. Ferner kann die ECU 50 die Wassermenge H2O_Ca(n) entsprechend dem vorstehend erwähnten Ausdruck (9) in Schritt 182 berechnen, so dass die „Einrichtung zum Aktualisieren der Kathodenwassermenge” realisiert ist, und kann die Wassermenge H2O_An(n) entsprechend dem vorstehend erwähnten Ausdruck (12) in Schritt 190 berechnen, so dass die „Einrichtung zum Aktualisieren der Anodenwassermenge” realisiert ist.
  • In der vorstehenden zweiten Ausführungsform der Erfindung kann die ECU 50 die Sauerstoffverbrauchsmenge O2_off(n) gemäß dem vorstehenden Ausdruck (6) in Schritt 188 berechnen, so dass die „Einrichtung zum Berechnen der Sauerstoffverbrauchsmenge” realisiert ist, und kann die Wasserstoffverbrauchsmenge H2_off(n) gemäß dem vorstehend erwähnten Ausdruck (10) berechnen, so dass die „Einrichtung zum Berechnen der Wasserstoffverbrauchsmenge” realisiert ist. Ferner kann die ECU 50 die Sauerstoffmenge O2(n) gemäß dem vorstehend angegebenen Ausdruck (7) in Schritt 182 berechnen, so dass die „Einrichtung zum Aktualisieren der Sauerstoffmenge” realisiert ist, und kann die Wasserstoffmenge H2(n) gemäß dem vorstehend angegeben Ausdruck (11) in Schritt 190 berechnen, so dass die „Einrichtung zum Aktualisieren der Wasserstoffmenge” realisiert ist.
  • Die Erfindung ist mit Hilfe der bevorzugten Ausführungsformen derselben beschrieben worden. Jedoch ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen derselben beschränkt, sondern beinhaltet verschiedene Modifizierungsbeispiele und Entsprechungen. Darüber hinaus werden die verschiedenen Elemente der offenbarten Erfindung in verschiedenen Kombinationen und Formen beispielhaft gezeigt. Diese Elemente gehören jedoch auch dann in den Schutzbereich der Erfindung, wenn sie miteinander kombiniert oder anderweitig ausgebildet sind.
  • Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme darauf beschrieben worden ist, was als deren bevorzugte Ausführungsformen betrachtet wird, ist zu beachten, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen oder Konstruktionen beschränkt ist. Die Erfindung soll im Gegenteil verschiedene Modifizierungen und entsprechende Anordnungen umfassen. Und obgleich verschiedene Elemente der offenbarten Erfindung in verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen veranschaulicht werden, die beispielhafter Natur sind, befinden sich andere Kombinationen und Konfigurationen, die mehr oder weniger Elemente oder nur ein einziges Element beinhalten, ebenfalls im Schutzbereich der Erfindung.
  • Zusammenfassung
  • System zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene und Verfahren zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene
  • Die Membranelektrodenanordnung wird virtuell in eine Mehrzahl von entlang dem Strömungsweg der Reaktionsgase angeordneten Kleinbereichen unterteilt. Eine Stromdichte 132 und eine Wasserübertragungsmenge 136 in einem Bereich n – 1 werden unter Bezugnahme auf die eine Beziehung zwischen einer Leistungserzeugungsumgebung und einer Stromdichte und eine Beziehung zwischen der Leistungserzeugungsumgebung und einer Wasserübertragungsmenge definierenden Kennfelder auf der Basis der von einer Vorstufe übertragenen Leistungserzeugungsumgebungen 122 und 128 berechnet. Die Verbrauchsmengen 138 und 146 der Reaktionsgase werden anhand der Stromdichte 132 berechnet. Eine Leistungserzeugungsumgebung, die auf einen Bereich n übertragen worden ist, wird berechnet, indem die Verbrauchsmengen 138 und 146 der Reaktionsgase und die Wasserübertragungsmenge 136 (140, 144, 148, 150) reflektiert werden. Die Leistungserzeugungsumgebungen und die Leistungserzeugungszustände werden im Hinblick auf die Gesamtheit der kleinen Bereiche der Reihe nach bzw. aufeinanderfolgend prognostiziert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2005-347016 [0002]
    • - JP 2005-347016 A [0002]

Claims (13)

  1. System zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene, dadurch gekennzeichnet, dass: eine Membranelektrodenanordnung einer Brennstoffzelle eine Anode und eine Kathode aufweist, denen jeweils Reaktionsgase zugeführt werden, um eine Leistung zu erzeugen; eine Einrichtung zum Speichern einer Leistungserzeugungskennlinie zum Speichern einer Leistungserzeugungskennlinie, die eine Beziehung zwischen einer Leistungserzeugungsmenge und einer Leistungserzeugungsumgebung der Membranelektrodenanordnung definiert; eine Einrichtung zum Speichern einer Verbrauchs-Erzeugungskennlinie zum Speichern einer Verbrauchs-Erzeugungskennlinie, die eine Beziehung zwischen den Verbrauchsmengen der Reaktionsgase in der Membranelektrodenanordnung und der Leistungserzeugungsmenge und eine Beziehung zwischen einer Wasserentstehungsmenge in der Membranelektrodenanordnung und der Leistungserzeugungsmenge definiert; eine Einrichtung zum Festlegen einer Einlassumgebung zum Festlegen von Leistungserzeugungsumgebungen an den Einlässen der Reaktionsgase; eine Einrichtung zum Definieren eines Kleinbereichs zum virtuellen Unterteilen der Membranelektrodenanordnung in eine Mehrzahl von kleinen Bereichen, die entlang dem Strömungsweg der Reaktionsgase angeordnet sind; eine Einrichtung zum Berechnen einer Leistungserzeugungsmenge zum Berechnen einer Leistungserzeugungsmenge eines ersten kleinen Bereichs als eine von der Mehrzahl der kleinen Bereiche auf einer Basis einer Leistungserzeugungsum gebung eines zweiten kleinen Bereichs, der sich stromauf des ersten kleinen Bereichs befindet, in Bezug auf einen Strömungsweg der Reaktionsgase entsprechend der Leistungserzeugungskennlinie; eine Einrichtung zum Berechnen einer Verbrauchs-Erzeugungsmenge zum Berechnen der Verbrauchsmengen der Reaktionsgase und einer Wasserentstehungsmenge in dem ersten kleinen Bereich auf einer Basis der Leistungserzeugungsmenge des ersten kleinen Bereichs gemäß der Verbrauchs-Erzeugungskennlinie; und eine Einrichtung zum Aktualisieren einer Leistungserzeugungsumgebung zum Reflektieren von Verbrauchsmengen der Reaktionsgase und einer Wasserentstehungsmenge in dem zweiten kleinen Bereich auf die Leistungserzeugungsumgebung des zweiten kleinen Bereichs, so dass eine Leistungserzeugungsumgebung des ersten kleinen Bereichs berechnet wird.
  2. System zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine Einrichtung zum Speichern einer Widerstandskennlinie zum Speichern einer Widerstandskennlinie, die eine Beziehung zwischen einem Widerstandswert und einer Leistungserzeugungsumgebung der Membranelektrodenanordnung definiert; und eine Einrichtung zum Berechnen eines Widerstandswerts zum Berechnen eines Widerstandswerts in dem ersten kleinen Bereich auf einer Basis der Leistungserzeugungsumgebung des zweiten kleinen Bereichs gemäß der Widerstandskennlinie.
  3. System zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend: eine Einrichtung zum Speichern einer Wasserübertragungskennlinie zum Speichern einer Wasserübertragungskennlinie, die eine Beziehung zwischen einer Wasserübertragungsmenge von der Kathode der Membranelektrodenanordnung zu der Anode der Membranelektrodenanordnung und einer Leistungserzeugungsumgebung der Membranelektrodenanordnung definiert; und eine Einrichtung zum Berechnen einer Wasserübertragungsmenge zum Berechnen einer Wasserübertragungsmenge in dem ersten kleinen Bereich auf einer Basis der Leistungserzeugungsumgebung des zweiten kleinen Bereichs gemäß der Wasserübertragungskennlinie, wobei: die Leistungserzeugungsumgebung eine in der Kathode der Membranelektrodenanordnung vorhandene Wassermenge und eine in der Anode der Membranelektrodenanordnung vorhandene Wassermenge beinhaltet; und wobei eine Einrichtung zum Aktualisieren einer Leistungserzeugungsumgebung eine Einrichtung zum Aktualisieren einer Kathodenwassermenge zum Subtrahieren einer Wasserübertragungsmenge in dem zweiten kleinen Bereich von einer Summe einer in der Kathode in dem zweiten kleinen Bereich vorhandenen Wassermenge und einer Wasserentstehungsmenge in dem zweiten kleinen Bereich, so dass eine in der Kathode in dem ersten kleinen Bereich vorhandene Wassermenge berechnet wird, und eine Einrichtung zum Aktualisieren einer Anodenwassermenge zum Addieren der Wasserübertragungsmenge in dem zweiten kleinen Bereich zu einer in der Anode in dem zweiten kleinen Bereich vorhandenen Wassermenge, so dass eine in der Anode in dem ersten kleinen Bereich vorhandene Wassermenge berechnet wird, beinhaltet.
  4. System zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: das der Kathode zugeführte Reaktionsgas ein sauerstoffhaltiges Oxidationsgas ist; das der Anode zugeführte Reaktionsgas ein wasserstoffhaltiges Brenngas ist; die Einrichtung zum Berechnen einer Verbrauchs-Erzeugungsmenge eine Einrichtung zum Berechnen einer Sauerstoffverbrauchsmenge zum Berechnen einer Sauerstoffverbrauchsmenge in der Kathode in jedem der kleinen Bereiche, und eine Einrichtung zum Berechnen einer Wasserstoffverbrauchsmenge zum Berechnen einer Wasserstoffverbrauchsmenge in der Anode in jedem von der Mehrzahl der kleinen Bereiche beinhaltet; die Leistungserzeugungsumgebung eine in der Kathode der Membranelektrodenanordnung vorhandene Sauerstoffmenge und eine in der Anode der Membranelektrodenanordnung vorhandene Wasserstoffmenge beinhaltet; und die Einrichtung zum Aktualisieren einer Leistungserzeugungsumgebung eine Einrichtung zum Aktualisieren einer Sauerstoffmenge zum Subtrahieren einer Sauerstoffverbrauchsmenge in dem zweiten kleinen Bereich von einer in der Kathode in dem zweiten kleinen Bereich vorhandene Sauerstoffmenge, so dass eine in der Kathode in dem ersten kleinen Bereich vorhandene Sauerstoffmenge berechnet wird, und eine Einrichtung zum Aktualisieren einer Wasserstoffmenge zum Subtrahieren einer Wasserstoffverbrauchsmenge in dem zweiten kleinen Bereich von einer in der Anode in dem zweiten kleinen Bereich vorhandenen Wasserstoffmenge, so dass eine in der Anode in dem ersten kleinen Bereich vorhandene Wasserstoffmenge berechnet wird, beinhaltet.
  5. System zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei: die Membranelektrodenanordnung mit einem Parallelstromkanal ausgestattet ist, durch den das der Kathode zugeführte Reaktionsgas und das der Anode zugeführte Reaktionsgas in einer gleichen Richtung strömen; und der eine der kleinen Bereiche, der sich in Bezug auf den Strömungsweg der Reaktionsgase stromauf von jedem der kleinen Bereiche befindet, sowohl zur Kathode als auch zur Anode gehört.
  6. System zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei: die Membranelektrodenanordnung mit einem Gegenstromkanal ausgestattet ist, durch den das der Kathode zugeführte Reaktionsgas und das der Anode zugeführte Reaktionsgas in zueinander entgegengesetzten Richtungen strömen; der eine der kleinen Bereiche, der sich in Bezug auf den Strömungsweg des Reaktionsgases, das durch die Kathode strömt, benachbart zu und stromauf von jedem der kleinen Bereiche befindet, der zweite kleine Bereich auf der Kathodenseite ist; und der eine der kleinen Bereiche, der sich in Bezug auf den Strömungsweg des Reaktionsgases, das durch die Anode strömt, benachbart zu und stromauf von jedem der kleinen Bereiche befindet, der zweite kleine Bereich auf der Anodenseite ist.
  7. Verfahren zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene, wobei das Verfahren folgende Schritte beinhaltet: Zuführen von Reaktionsgasen zu einer Anode bzw. einer Kathode einer Membranelektrodenanordnung einer Brennstoffzelle; Festlegen von Leistungserzeugungsumgebungen an Einlässen der Reaktionsgase; virtuelles Unterteilen der Membranelektrodenanordnung in eine Mehrzahl von kleinen Bereichen, die entlang des Strömungswegs der Reaktionsgase angeordnet sind; Berechnen einer Leistungserzeugungsmenge eines ersten kleinen Bereichs als einen von der Mehrzahl der kleinen Bereiche auf einer Basis einer Leistungserzeugungsumgebung eines zweiten kleinen Bereichs, der sich in Bezug auf einen Strömungsweg der Reaktionsgase stromauf des ersten kleinen Bereichs befindet, entsprechend einer Leistungserzeugungskennlinie, die eine Beziehung zwischen einer Leistungserzeugungsmenge und einer Leistungserzeugungsumgebung der Membranelektrodenanordnung definiert; Berechnen von Verbrauchsmengen der Reaktionsgase und einer Wasserverbrauchsmenge in dem ersten kleinen Bereich auf einer Basis der Leistungserzeugungsmenge des ersten kleinen Bereichs gemäß einer Verbrauchs-Erzeugungskennlinie, die eine Beziehung zwischen den Verbrauchsmengen der Reaktionsgase in der Membranelektrodenanordnung und der Leistungserzeugungsmenge und eine Beziehung zwischen einer Wasserentstehungsmenge in der Membranelektrodenanordnung und der Leistungserzeugungsmenge definiert; und Reflektieren von Verbrauchsmengen der Reaktionsgase und einer Wasserentstehungsmenge in dem zweiten kleinen Bereich auf die Leistungserzeugungsumgebung des zweiten kleinen Bereichs, so dass eine Leistungserzeugungsumgebung des ersten kleinen Bereichs berechnet wird.
  8. Verfahren zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene nach Anspruch 7, wobei das Verfahren ferner folgende Schritte beinhaltet: Erzeugen eines Membranelektrodenanordnungs-Stücks mit einer zur Membranelektrodenanordnung identischen Struktur, das so dimensioniert ist, dass eine innerhalb einer Ebene befindliche Leistungserzeugungsumgebung im Wesentlichen homogenisiert wird; Zuführen von Reaktionsgasen zu jeweils einer Anode bzw. einer Kathode des Membranelektrodenanordnungs-Stücks; Messen einer Leistungserzeugungsmenge des Membranelektrodenanordnungs-Stücks, während die Leistungserzeugungsumgebungen an den Einlässen der Reaktionsgase verändert werden; und Erstellen einer Leistungserzeugungskennlinie auf einer Basis eines Ergebnisses des Messens der Leistungserzeugungsmenge des Membranelektrodenanordnungs-Stücks.
  9. Verfahren zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Berechnens eines Widerstandswerts in dem ersten kleinen Bereich auf einer Basis der Leistungserzeugungsumgebung des zweiten kleinen Bereichs gemäß einer Widerstandskennlinie beinhaltet, die eine Beziehung zwischen einem Widerstandswert und einer Leistungserzeugungsumgebung der Membranelektrodenanordnung definiert.
  10. Verfahren zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene nach Anspruch 9, wobei das Verfahren ferner folgende Schritt beinhaltet: Erzeugen eines Membranelektrodenanordnungs-Stücks mit einer zur Membranelektrodenanordnung identischen Struktur, das so dimensioniert ist, dass eine innerhalb einer Ebene befindliche Leistungserzeugungsumgebung im Wesentlichen homogenisiert wird; Zuführen von Reaktionsgasen zu jeweils einer Anode bzw. einer Kathode des Membranelektrodenanordnungs-Stücks; Messen eines Widerstandswerts des Membranelektrodenanordnungs-Stücks, während die Leistungserzeugungsumgebungen an den Einlässen der Reaktionsgase verändert werden; und Erstellen der Widerstandskennlinie auf einer Basis eines Ergebnisses der Messung des Widerstandswerts des Membranelektrodenanordnungs-Stücks.
  11. Verfahren zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Verfahren ferner folgende Schritte beinhaltet: Berechnen einer Wasserübertragungsmenge in dem ersten kleinen Bereich auf einer Basis der Leistungserzeugungsumgebung des zweiten kleinen Bereichs gemäß einer Wasserübertragungskennlinie, die eine Beziehung zwischen einer Wasserübertragungsmenge von der Kathode der Membranelektrodenanordnung zur Anode der Membranelektrodenanordnung und einer Leistungserzeugungsumgebung der Membranelektrodenanordnung definiert; Subtrahieren einer Wasserübertragungsmenge in dem zweiten kleinen Bereich von einer Summe einer in der Kathode in dem zweiten kleinen Bereich vorhandenen Wassermenge und einer Wasserentstehungsmenge in dem zweiten kleinen Bereich, so dass eine in der Kathode in dem ersten kleinen Bereich vorhandene Wassermenge berechnet wird, wenn die Leistungserzeugungsumgebung eine in der Kathode der Membranelektrodenanordnung vorhandene Wassermenge und eine in der Anode der Membranelektrodenanordnung vorhandene Wassermenge beinhaltet; und Addieren der Wasserübertragungsmenge in dem zweiten kleinen Bereich zu einer in der Anode in dem zweiten kleinen Bereich vorhandenen Wassermenge, so dass eine in der Anode in dem ersten kleinen Bereich vorhandene Wassermenge berechnet wird.
  12. Verfahren zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene nach Anspruch 11, wobei das Verfahren ferner folgende Schritte beinhaltet: Erzeugen eines Membranelektrodenanordnungs-Stücks mit einer zur Membranelektrodenanordnung identischen Struktur, das so dimensioniert ist, dass eine innerhalb einer Ebene befindliche Leistungserzeugungsumgebung im Wesentlichen homogenisiert wird; Zuführen von Reaktionsgasen zu jeweils einer Anode bzw. einer Kathode des Membranelektrodenanordnungs-Stücks; Messen einer Wasserübertragungsmenge in dem Membranelektrodenanordnungs-Stücks, während die Leistungserzeugungsumgebungen an den Einlässen der Reaktionsgase verändert werden; und Erstellen der Wasserübertragungskennlinie auf einer Basis eines Ergebnisses der Messung der Wasserübertragungsmenge in dem Membranelektrodenanordnungs-Stück.
  13. System zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene, aufweisend: eine Membranelektrodenanordnung einer Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, denen jeweils Reaktionsgase zugeführt werden, um eine Leistung zu erzeugen; eine Einlassumgebungs-Erfassungsvorrichtung zum Erfassen von Leistungserzeugungsumgebungen an den Einlässen der Reaktionsgase; eine Steuerungsvorrichtung, die das System zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene steuert, wobei: die Steuerungsvorrichtung mit einem Leistungserzeugungskennlinien-Speicherbereich ausgestattet ist, der eine Leistungserzeugungskennlinie speichert, die eine Beziehung zwischen einer Leistungserzeugungsmenge und einer Leistungserzeugungsumgebung der Membranelektrodenanordnung speichert; einen Verbrauchs-Erzeugungskennlinien-Speicherbereich, der eine Verbrauchs-Erzeugungskennlinie speichert, die eine Beziehung zwischen den Verbrauchsmengen der Reaktionsgase in der Membranelektrodenanordnung und der Leistungserzeugungsmenge und eine Beziehung zwischen einer Wasserentstehungsmenge in der Membranelektrodenanordnung und der Leistungserzeugungsmenge definiert; einen Einlassumgebungs-Festlegungsbereich, der die Leistungserzeugungsumgebungen an den Einlässen der Reaktionsgase entsprechend einem Erfassungsergebnis der Einlassumgebungs-Erfassungsvorrichtung festlegt; einen Bereich zum Definieren eines kleinen Bereichs, der die Membranelektrodenanordnung virtuell in eine Mehrzahl von kleinen Bereichen unterteilt, die entlang einem Strömungsweg der Reaktionsgase angeordnet sind; einen Leistungserzeugungsmengen-Berechnungsbereich, der eine Leistungserzeugungsmenge eines ersten kleinen Bereichs als einen von der Mehrzahl der kleinen Bereiche auf einer Basis einer Leistungserzeugungsumgebung eines zweiten kleinen Bereichs berechnet, der sich stromauf des ersten kleinen Bereichs in Bezug auf einen Strömungsweg der Reaktionsgase entsprechend der Leistungserzeugungskennlinie befindet; einen Verbrauchs-Erzeugungsmengen-Berechnungsbereich, der Verbrauchsmengen der Reaktionsgase und eine Wasserentstehungsmenge in dem ersten kleinen Bereich auf einer Basis der Leistungserzeugungsmenge des ersten kleinen Bereichs gemäß der Verbrauchs-Erzeugungskennlinie berechnet; und einen Bereich zum Aktualisieren einer Leistungserzeugungsumgebung, der Verbrauchsmengen der Reaktionsgase reflektiert und eine Wasserentstehungs menge in dem zweiten kleinen Bereich auf die Leistungserzeugungsumgebung des zweiten kleinen Bereichs reflektiert, so dass eine Leistungserzeugungsumgebung des ersten kleinen Bereichs berechnet wird.
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