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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren einer Brennstoffzelle.
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Hintergrund
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Eine Brennstoffzelle, die durch Stapeln einer Vielzahl von Zellen strukturiert ist, war bekannt. Die Brennstoffzelle empfängt Zuführungen von Sauerstoff und Wasserstoff und erzeugt Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion. Der Mangel an Zufuhr von Wasserstoff zu der Brennstoffzelle während einer Aufwärmoperation in einer Umgebung unter Null verschlechtert dementsprechend die Energieerzeugungsperformance der Brennstoffzelle. Die übermäßige Trockenheit einer Elektrolytmembran in der Brennstoffzelle während einer Hochtemperaturoperation bzw. einer Operation bei hoher Temperatur verschlechtert ebenso die Energieerzeugungsperformance der Brennstoffzelle.
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Es war eine Technik bekannt, die in der nachstehend genannten Patentliteratur 1 beschrieben ist, um eine Abnormalität der Brennstoffzelle, zum Beispiel einen Mangel an Wasserstoff, zu erfassen. Die in der Patentliteratur 1 beschriebene Technik stellt eine Zelle bereit, die als Reaktion auf eine Abnormalität eine Spannungsänderung mit einer höheren Empfindlichkeit als gewöhnliche Zellen wahrnimmt, oder, mit anderen Worten, deren Energieerzeugungsperformance sich früher als die der gewöhnlichen Zellen in der Brennstoffzelle verschlechtert (nachstehend Überwachungszelle genannt) und überwacht die Spannung dieser Überwachungszelle, um eine Abnormalität der Brennstoffzelle zu erfassen.
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Liste der zitierten Dokumente
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Patentliteratur
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- [PTL 1] JP 2002-520778 A
- [PTL 2] JP 2007-048609 A
- [PTL 3] JP 2009-170229 A
- [PTL 4] JP 2006-338921 A
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Kurzfassung
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Technisches Problem
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Die Offenbarung der vorstehenden Patentliteratur besitzt jedoch ein Problem, dass es dort keine Berücksichtigung des Grades der Verringerung der Energieerzeugungsperformance der Überwachungszelle relativ zu der Energieerzeugungsperformance der gewöhnlichen Zellen gibt. Ein anderes Problem ist, dass, wenn die Energieerzeugungsperformance der Überwachungszelle nicht ausreichend niedriger ist als die Energieerzeugungsperformance der gewöhnlichen Zellen, die Überwachungszelle nicht ausreichend als ein Überwachungsziel arbeitet. Ein weiteres Problem ist jedoch, dass, wenn die Energieerzeugungsperformance der Überwachungszelle übermäßig niedrig ist, die Spannung der Überwachungszelle als Reaktion auf eine Abnormalität auf eine negative Spannung von oder unter 0 V abnimmt und eine Verschlechterung der Überwachungszelle verursacht. Weitere Anforderungen gegenüber dem Brennstoffzellensystem des Standes der Technik umfassen eine Verkleinerung, Kostenreduzierung, Ressourceneinsparung, Vereinfachung einer Herstellung und Verbesserung einer Verwendbarkeit.
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Lösung des Problems
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Die Erfindung kann durch irgendeinen der folgenden Aspekte implementiert werden, um zumindest einen Teil des vorstehenden Problems zu lösen.
- (1) Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Herstellungsverfahren einer Brennstoffzelle bereitgestellt, die eine Vielzahl von gewöhnlichen Zellen und eine Überwachungszelle umfasst, die dazu konfiguriert ist, einen größeren Druckverlust eines Wasserstoffgases als ein Druckverlust der gewöhnlichen Zellen aufzuweisen. Dieses Herstellungsverfahren umfasst die Schritte: (a) Spezifizieren einer oberen Grenzspannung in einem Spannungsbereich der Überwachungszelle; (b) Spezifizieren einer unteren Grenzspannung in dem Spannungsbereich der Überwachungszelle; (c) Bestimmen eines oberen Grenzwerts und eines unteren Grenzwerts in einem Bereich eines Druckverlustes des Wasserstoffgases in der Überwachungszelle basierend auf der oberen Grenzspannung und der unteren Grenzspannung; und (d) Herstellen der Überwachungszelle, so dass der Druckverlust des Wasserstoffgases in der Überwachungszelle auf den in Schritt (c) bestimmten Bereich des Druckverlustes beschränkt ist. Dieser Aspekt ermöglicht, dass die Spannung der Überwachungszelle auf den Spannungsbereich von nicht weniger als der unteren Grenzspannung und nicht höher als der oberen Grenzspannung beschränkt ist. Dementsprechend ermöglicht ein Einstellen von adäquaten Werten für die obere Grenzspannung und die untere Grenzspannung, dass die Überwachungszelle effektiv als ein Überwachungsziel einer Überwachung bzw. eines Überwachungsgeräts arbeitet, während verhindert wird, dass die Überwachungszelle in einem abnormalen Zustand eine negative Spannung aufweist.
- (2) In dem Herstellungsverfahren der Brennstoffzelle des vorstehenden Aspekts kann der Schritt (a) die Schritte aufweisen: (a1) individuelles Messen von Spannungen der Vielzahl von gewöhnlichen Zellen und Bestimmen einer mittleren Spannung der Vielzahl von gewöhnlichen Zellen; und (a2) Spezifizieren eines Werts, der durch Subtrahieren eines spezifischen Werts von der mittleren Spannung erhalten wird, als die obere Grenzspannung des Spannungsbereichs. Dieser Aspekt verursacht, dass die Spannung der Überwachungszelle niedriger als die mittlere Spannung der gewöhnlichen Zellen ist, und ermöglicht dadurch der Überwachungszelle, effektiv als das Überwachungsziel der Überwachung bzw. des Überwachungsgeräts zu arbeiten.
- (3) In dem Herstellungsverfahren der Brennstoffzelle des vorstehenden Aspekts kann der Schritt (a2) die Schritte aufweisen: (a2-1) Bestimmen einer Standardabweichung der Spannung der Vielzahl von gewöhnlichen Zellen; und (a2-2) Spezifizieren eines dreifachen Werts der Standardabweichung als den spezifischen Wert. Dieser Aspekt verursacht, dass die Spannung der Überwachungszelle niedriger ist als die Spannungen von im Wesentlichen allen gewöhnlichen Zellen, und ermöglicht dadurch, dass die Überwachungszelle weiterhin effektiv als das Überwachungsziel der Überwachung bzw. des Überwachungsgeräts arbeitet.
- (4) In dem Herstellungsverfahren der Brennstoffzelle des vorstehenden Aspekts kann der Schritt (b) die Schritte aufweisen: (b1) Bestimmen einer Spannungsabfallrate der gewöhnlichen Zelle unter einer vorbestimmten Bedingung; (b2) Bestimmen eines Grades eines Spannungsabfalls der gewöhnlichen Zelle, der während eines Überwachungszyklus einer Überwachung bzw. eines Überwachungsgeräts, die bzw. das dazu konfiguriert ist, die Spannung der Überwachungszelle zu überwachen, abfällt, basierend auf der Spannungsabfallrate; und (b3) Spezifizieren des Spannungsabfallgrades als die untere Grenzspannung. Dieser Aspekt verhindert bzw. unterdrückt, dass die Überwachungszelle eine negative Spannung aufweist, auch in dem Fall eines Spannungsabfalls der Überwachungszelle unter der vorbestimmten Bedingung. Der Grund solch einer Unterdrückung wird beschrieben. Das Überwachungsgerät ist dazu konfiguriert, die Spannung der Überwachungszelle zu jedem Überwachungszyklus zu überwachen. Wenn die Überwachungszelle unter der vorbestimmten Bedingung einen Spannungsabfall aufweist, erfasst das Überwachungsgerät den Spannungsabfall der Überwachungszelle. Wenn das Überwachungsgerät den Spannungsabfall der Überwachungszelle erfasst, wird der Ausgabestrom der Brennstoffzelle beschränkt, um einen weiteren Spannungsabfall der Überwachungszelle zu unterdrücken. Die Spannung der Überwachungszelle fällt dementsprechend nur während des Überwachungszyklus maximal ab. Die vorbestimmte Bedingung umfasst zum Beispiel eine Aufwärmoperation in einer Umgebung unter Null oder eine Hochtemperaturoperation in einer Hochtemperaturumgebung von oder über 90°C.
- (5) In dem Herstellungsverfahren der Brennstoffzelle des vorstehenden Aspekts kann der Schritt (b1) ein Bestimmen einer Vielzahl von Spannungsabfallraten unter einer Vielzahl von Bedingungen aufweisen; kann der Schritt (b2) ein Bestimmen einer Vielzahl von Spannungsabfallgraden unter der Vielzahl von Bedingungen aufweisen; und kann der Schritt (b3) ein Spezifizieren der Vielzahl von Spannungsabfallgraden als eine Vielzahl von unteren Grenzspannungen aufweisen; und kann der Schritt (c) ein Bestimmen einer Vielzahl von Kandidaten für den oberen Grenzwert in dem Bereich des Druckverlustes und ein Spezifizieren eines kleinsten Kandidaten für den oberen Grenzwert unter der Vielzahl von Kandidaten für den oberen Grenzwert als den oberen Grenzwert in dem Bereich des Druckverlustes umfassen. Dieser Aspekt verhindert, dass die Überwachungszelle unter irgendeiner der Vielzahl von Bedingungen eine negative Spannung aufweist.
- (6) In dem Herstellungsverfahren der Brennstoffzelle des vorstehenden Aspekts kann der Schritt (c) die Schritte aufweisen: (c1) Bestimmen einer Beziehung zwischen einem Druckverlust des Wasserstoffgases in der Überwachungszelle und einer Spannung der Überwachungszelle; und (c2) Spezifizieren des Bereichs des Druckverlustes entsprechend dem Spannungsbereich basierend auf der Beziehung. Dieser Aspekt spezifiziert den Bereich des Druckverlustes des Wasserstoffgases in der Brennstoffzelle, um die Spannung der Überwachungszelle auf den Spannungsbereich zwischen der oberen Grenzspannung und der unteren Grenzspannung zu beschränken.
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Die Erfindung kann durch eine Vielzahl von Aspekten außer den vorstehenden Beschriebenen implementiert werden; zum Beispiel durch Entwurfsverfahren einer Brennstoffzelle und eines Brennstoffzellensystems sowie durch eine Brennstoffzelle und ein Brennstoffzellensystem, das durch diese Entwurfsverfahren entworfen und hergestellt ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Diagramm, das die allgemeine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;
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2 ist ein Diagramm, das die Querschnittsstruktur einer gewöhnlichen Zelle darstellt;
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3 ist ein Diagramm, das den Zustand, dass der Druckverlust an der Anode einer Überwachungszelle größer ist als der Druckverlust an den Anoden von herkömmlichen Zellen, schematisch darstellt;
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4 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Herstellungsprozedur einer Brennstoffzelle zeigt;
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5 ist ein graphisches Diagramm, das die Beziehung der Stromdichte zu der Spannung der entsprechenden Zellen zeigt;
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6 ist ein graphisches Schaubild, das die Beziehung der Druckverlustdifferenz an der Anode zwischen der Überwachungszelle und der gewöhnlichen Zelle zu der Spannung der Überwachungszelle unter einer Spitzenlastenergieerzeugung zeigt;
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7 ist ein graphisches Schaubild, das eine Verteilung einer Spannung einer Vielzahl von gewöhnlichen Zellen zeigt;
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8 ist ein graphisches Schaubild, das die Beziehung einer Temperatur zu einer mittleren Spannung Vm und einer Spannung Vm2 zeigt;
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9 ist ein graphisches Schaubild, das den Zeitablauf einer schnellen Aufwärmoperation zu der Zellenspannung zeigt;
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10 ist ein graphisches Schaubild, das die Beziehung der Druckverlustdifferenz an der Anode zwischen Überwachungszelle und der gewöhnlichen Zelle zu der Spannung der Überwachungszelle 14 bei einer schnellen Aufwärmoperation zeigt; und
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11 ist ein Diagramm, das schematisch die Struktur einer Brennstoffzelle 10b gemäß einer Modifikation darstellt.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Im Folgenden werden manche Aspekte der Erfindung mit Bezug auf manche Ausführungsbeispiele in der nachstehenden Reihenfolge beschrieben:
- A. Ausführungsbeispiel
A-1. Allgemeine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems
A-2. Allgemeine Struktur einer Brennstoffzelle
A-3. Herstellungsverfahren einer Brennstoffzelle
A-4. Andere Mittel zum Anpassen eines Druckverlustes
- B. Modifikationen
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A. Ausführungsbeispiel
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A-1. Allgemeine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems
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1 ist ein Diagramm, das die allgemeine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Das Brennstoffzellensystem 100 ist an einem Fahrzeug angebracht und umfasst eine Brennstoffzelle 10, die dazu konfiguriert ist, durch eine elektrochemische Reaktion Elektrizität zu erzeugen, ein Brenngassystem 60, das dazu eingerichtet ist, Brenngas an die Brennstoffzelle 10 zuzuführen und das Brenngas von der Brennstoffzelle 10 auszustoßen, ein Oxidationsgassystem 70, das dazu eingerichtet ist, ein Oxidationsgas an die Brennstoffzelle 10 zuzuführen und das Oxidationsgas von der Brennstoffzelle 10 auszustoßen, ein Kühlsystem 80, das dazu eingerichtet ist, die Brennstoffzelle 10 zu kühlen, und eine Steuerungseinheit 90, die dazu konfiguriert ist, das gesamte Brennstoffzellensystem 100 zu steuern.
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Die Brennstoffzelle 10 ist eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle und ist durch Stapeln einer Vielzahl von Zellen strukturiert. Die Brennstoffzelle 10 empfängt eine Zufuhr von Wasserstoffgas als das Brenngas und eine Zufuhr von Sauerstoff als das Oxidationsgas und erzeugt Elektrizität durch deren elektrochemische Reaktion.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Brennstoffzelle 10 eine Vielzahl von gewöhnlichen Zellen 12, die eine gewöhnliche Energieerzeugungsperformance aufweisen, und eine Überwachungszelle 14, die derart konfiguriert ist, dass sie die Energieerzeugungsperformance mit einer größeren Wahrscheinlichkeit verschlechtert als die gewöhnlichen Zellen 12. Genauer wird der Druckverlust des Wasserstoffgases, das der Anode der Überwachungszelle 14 zugeführt wird, größer gemacht als der Druckverlust des Wasserstoffgases, das den Anoden der gewöhnlichen Zellen zugeführt wird. Dementsprechend ist es wahrscheinlicher, dass die Überwachungszelle 14 einen Mangel an Wasserstoffgas aufweist und ist es wahrscheinlicher, dass die Energieerzeugungsperformance im Vergleich mit den gewöhnlichen Zellen 12 verschlechtert wird. Die Überwachungszelle 14 ist als ein Überwachungsziel eines Überwachungsgeräts 92, das in der Steuerungseinheit 90 enthalten ist, spezifiziert. Die Details der Überwachungszelle 14 werden später beschrieben.
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Das Brenngassystem 60 umfasst einen Wasserstofftank 61, ein Abschaltventil bzw. Absperrventil 62, einen Regler 63, einen Gas-Flüssigkeits-Separator 66, eine Kreislaufpumpe 68, ein Ablassventil 69 und Rohrleitungen 64, 65, 67a und 67b.
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Das Wasserstoffgas, das in dem Wasserstofftank 61 gespeichert wird, wird als das Brenngas durch die Rohrleitung 64 zu den Anoden der Brennstoffzelle 10 zugeführt. Das Abschaltventil 62 und der Regler 63 werden betätigt, um den Druck des Wasserstoffgases und die Menge an Zufuhr des Wasserstoffgases zu der Brennstoffzelle 10 zu regeln.
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Abgas von den Anoden (nachstehend ebenso als Anodenabgas bezeichnet) wird durch die Rohrleitung 65 in den Gas-Flüssigkeits-Separator 66 eingeleitet. Der Gas-Flüssigkeits-Separator 66 trennt Wasserstoffgas, das im Verlauf der Energieerzeugung nicht verbraucht wurde, von Wasser, das in dem Anodenabgas enthalten ist. Das Wasserstoffgas, das durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 66 getrennt wird, wird durch die Rohrleitung 67a, die Kreislaufpumpe 68 und die Rohrleitung 64 zu der Brennstoffzelle 10 geleitet.
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Die Rohrleitung 67b zweigt zwischen dem Gas-Flüssigkeits-Separator 66 und der Kreislaufpumpe 68 ab und das Ablassventil 69 ist auf dieser Rohrleitung 67b bereitgestellt. Das Ablassventil 69 ist normalerweise geschlossen, so dass das Anodenabgas zu der Brennstoffzelle 10 zirkuliert. Wenn sich die Konzentration von Verunreinigungen, wie etwa Stickstoffgas und Wasserdampf, die in dem Anodenabgas enthalten sind, erhöht, wird das Ablassventil 69 jedoch zu vorbestimmten Zeitpunkten geöffnet, um das Anodenabgas durch die Rohrleitung 67b zu einem Verdünner 76 zu leiten und aus dem Brennstoffzellensystem 100 auszustoßen. Dies ergibt ein Entfernen der Verunreinigungen, wie etwa Stickstoffgas und Wasserdampf von der Anodenseite und verhindert dadurch eine Erhöhung einer Konzentration der Verunreinigungen auf der Anodenseite.
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Das Oxidationsgassystem 70 umfasst einen Luftreiniger 71, einen Luftkompressor 72, einen Verdünner 76 und Rohrleitungen 73, 74 und 77. Die von dem Luftreiniger 71 angesaugte Luft wird durch den Luftkompressor 72 komprimiert und als das Oxidationsgas durch die Rohrleitung 73 zu den Kathoden der Brennstoffzelle 10 zugeführt. Abgas von den Kathoden (nachstehend als Kathodenabgas bezeichnet) wird durch die Rohrleitung 74 in den Verdünner 76 eingeleitet.
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Der Verdünner 76 mischt das Kathodenabgas mit dem Anodenabgas, das zu dem vorstehend erwähnten vorbestimmten Zeitpunkt in den Verdünner 76 eingeleitet wird, um die Konzentration von Wasserstoff, das in dem Anodenabgas enthalten ist, zu verdünnen. Das Abgas, das von dem Verdünner 76 ausgestoßen wird, strömt durch die Rohrleitung 77 und wird aus dem Brennstoffzellensystem 100 ausgestoßen.
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Das Kühlsystem 80 umfasst einen Radiator 81, eine Kreislaufpumpe 82 und Rohrleitungen 83 und 84. Die Rohrleitungen 83 und 84 sind mit der Brennstoffzelle 10 und mit dem Radiator 81 verbunden. Kühlmittel, das in den Rohrleitungen 83 und 84 fließt, zirkuliert durch den Druck der Kreislaufpumpe 82 zwischen der Brennstoffzelle 10 und dem Radiator 81. Dementsprechend wird Wärme, die in dem Verlauf der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle 10 erzeugt wird, durch das zirkulierende Kühlmittel absorbiert, und die Wärme, die durch das Kühlmittel absorbiert wird, wird durch den Radiator 81 freigesetzt. Als ein Ergebnis wird die Temperatur der Brennstoffzelle 10 auf einer adäquaten Temperatur gehalten.
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Die Steuerungseinheit 90 ist durch einen Mikrocomputer mit einer CPU, einem RAM und einem ROM implementiert und ist dazu konfiguriert, ein Programm, das in dem ROM gespeichert ist, auf den RAM zu laden und das Programm auszuführen. Die Steuerungseinheit 90 umfasst eine Steuerung 91, die dazu konfiguriert ist, das Brennstoffzellensystem 100 zu steuern, und ein Überwachungsgerät 92, das dazu konfiguriert ist, die Spannung der Überwachungszelle 14 zu überwachen.
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Die Steuerung 91 gibt Ansteuersignale an zum Beispiel den Regler 63, den Luftkompressor 72 und das Ablassventil 69, basierend auf einer Ausgabeanforderung 95, die durch das Fahrzeug gegeben wird, und dem Zustand der Spannung der Überwachungszelle 14 aus, um das Brennstoffzellensystem 100 zu steuern. Das Überwachungsgerät 92 überwacht die Spannung der Überwachungszelle 14 zu jedem Überwachungszyklus T. Wenn die Überwachungszelle 14 einen Mangel an Wasserstoff aufweist und einen Spannungsabfall aufweist, erfasst das Überwachungsgerät 92 den Spannungsabfall der Überwachungszelle 14. Wenn das Überwachungsgerät 92 den Spannungsabfall der Überwachungszelle 14 erfasst, beschränkt die Steuerung 91 den Ausgabestrom der Brennstoffzelle 10, um einen weiteren Spannungsabfall der Überwachungszelle 14 zu unterdrücken.
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A-2. Allgemeine Struktur einer Brennstoffzelle
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2 ist ein Diagramm, das die Querschnittsstruktur der gewöhnlichen Zelle 12 darstellt. Die gewöhnliche Zelle 12 umfasst eine Elektrolytmembran 21, eine Anode 22a und eine Kathode 22b, die auf den entsprechenden Oberflächen der Elektrolytmembran 21 geformt sind, Gasdiffusionsschichten 24a und 24b, die auf den entsprechenden äußeren Seiten von und über der Anode 22a und der Kathode 22b platziert sind, und Separatoren 26a und 26b, die auf den entsprechenden äußeren Seiten von und über den Gasdiffusionsschichten 24a und 24b platziert sind. Die Struktur der Überwachungszelle 14 ist ungefähr die gleiche wie die der gewöhnlichen Zelle 12 außer dem Vorhandensein eines Mittels bzw. einer Einrichtung zum Erhöhen des Druckverlustes. Die Einrichtung zum Erhöhen des Druckverlustes wird nachstehend beschrieben.
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Die Elektrolytmembran 21 besteht aus einem Festpolymer, das in dem feuchten bzw. nassen Zustand eine Protonenleitfähigkeit aufweist. Jede der Anode 22a und der Kathode 22b ist als eine Elektrode bereitgestellt, die einen Katalysator aufweist, der auf einem elektrisch leitenden Träger aufgebracht ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst jede der Anode 22a und der Kathode 22b Kohlenstoffpartikel mit einem Platinkatalysator darauf und ein Elektrolyt, das zu dem Polymerelektrolyt, der die Elektrolytmembran 21 bildet, äquivalent ist.
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Die Gasdiffusionsschichten 24a und 24b dienen als Strömungsdurchgänge für die Gase, die der elektrochemischen Reaktion unterzogen werden, und dienen ebenso als Elemente zum Sammeln einer Elektrizität. Die Gasdiffusionsschichten 24a und 24b können aus einem gasdurchlässigen, elektrisch leitenden Material, wie etwa Kohlenstoffpapier, Kohlenstofftextil, einem metallischen Netz oder einem metallischen Schaum hergestellt werden.
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Die Separatoren 26a und 26b sind aus einem gasundurchlässigen, elektrisch leitenden Material, wie etwa komprimierter Kohlenstoff oder Edelstahl, hergestellt. Die Separatoren 26a und 26b weisen entsprechend Oberflächen auf, die derart ausgestaltet sind, dass sie vordefinierte, konkav-konvexe Strukturen aufweisen. Die konkav-konvexen Strukturen bilden einen Brenngasströmungspfad 27 zum Bilden der Strömung des Wasserstoffgases als das Brenngas zwischen dem Separator 26a und der Gasdiffusionsschicht 24a. Auf ähnliche Weise formen die konkav-konvexen Strukturen einen Oxidationsgasströmungspfad 28 zum Bilden der Strömung des Sauerstoffs als das Oxidationsgas zwischen dem Separator 26b und der Gasdiffusionsschicht 24b.
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Auf einer Oberfläche entgegengesetzt zu dem Brennstoffgasströmungspfad 27 des Separators 26a und auf einer Oberfläche entgegengesetzt zu dem Oxidationsgasströmungspfad 28 des Separators 26b sind Vertiefungen ausgestaltet, obwohl diese in dem Querschnitt nicht dargestellt sind. Diese Vertiefungen dienen als Kühlmittelströmungspfade für die Strömung des Kühlmittels, um die Temperatur der gewöhnlichen Zelle 12 zu regeln.
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3 ist ein Diagramm, das schematisch den Zustand darstellt, dass der Druckverlust an der Anode der Überwachungszelle 14 größer ist als der Druckverlust an den Anoden der gewöhnlichen Zellen 12 in der Brennstoffzelle 10. Wie in 3 gezeigt ist, umfasst die Brennstoffzelle 10 die Vielzahl der gewöhnlichen Zellen 12, die Überwachungszelle 14, ein Wasserstoffgaszufuhranschlussstück 29a, ein Wasserstoffgasausstoßanschlussstück 29b und einen Verteiler 29c. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist in dem Wasserstoffgaszufuhranschlussstück 29a ein Zufuhranschluss 29a1 zum Zuführen des Wasserstoffgases zu der Überwachungszelle 14 enger als die anderen Zufuhranschlüsse zum Zuführen des Wasserstoffgases an die gewöhnlichen Zellen 12. Dies ergibt eine Erhöhung des Druckverlustes an der Anode der Überwachungszelle 14 verglichen mit dem Druckverlust an der Anode der gewöhnlichen Zelle 12. Andere Einrichtungen bzw. Mittel zum Erhöhen des Druckverlustes werden später beschrieben.
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A-3. Herstellungsverfahren der Brennstoffzelle
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4 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Herstellungsprozedur der Brennstoffzelle 10 zeigt. Bei Schritt S100 stellt die Prozedur eine Vielzahl der gewöhnlichen Zellen 12 her. Bei Schritt S110 spezifiziert die Prozedur eine obere Grenzspannung V1 in einem Spannungsbereich der Überwachungszelle 14. Genauer misst die Prozedur einzeln die Spannungen der Vielzahl von gewöhnlichen Zellen 12 und bestimmt eine mittlere Spannung Vm der Vielzahl der gewöhnlichen Zellen 12. Die Prozedur spezifiziert dann einen Wert, der durch Subtrahieren eines vordefinierten Werts von der mittleren Spannung Vm erhalten wird, als die obere Grenzspannung V1 in dem Spannungsbereich.
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Bei Schritt S120 spezifiziert die Prozedur eine untere Grenzspannung V2 in dem Spannungsbereich der Überwachungszelle 14. Genauer bestimmt die Prozedur eine Spannungsabfallrate der gewöhnlichen Zelle 12 unter einer vorbestimmten Bedingung, bestimmt anschließend einen Grad eines Spannungsabfalls der gewöhnlichen Zelle 12, der während des Überwachungszyklus T des Überwachungsgeräts 92, das dazu konfiguriert ist, die Spannung der Überwachungszelle 14 zu überwachen, abgefallen ist, von der Spannungsabfallrate, und spezifiziert den Spannungsabfallgrad als die untere Grenzspannung V2.
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Bei Schritt S130 spezifiziert die Prozedur einen oberen Grenzwert und einen unteren Grenzwert eines Druckverlustbereichs des Wasserstoffgases in der Überwachungszelle 14 basierend auf der oberen Grenzspannung V1 und der unteren Grenzspannung V2. Genauer spezifiziert die Prozedur den oberen Grenzwert und den unteren Grenzwert des Druckverlustbereichs des Wasserstoffgases in der Überwachungszelle 14, um die Spannung der Überwachungszelle 14 in dem Bereich zwischen der oberen Grenzspannung V1 und der unteren Grenzspannung V2 zu beschränken.
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Bei Schritt S140 stellt die Prozedur die Überwachungszelle 14 her, so dass der Druckverlust des Wasserstoffgases in der Überwachungszelle 14 zwischen dem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert, die den Druckverlustbereich definieren, der in Schritt S130 spezifiziert wird, beschränkt ist. Bei Schritt S150 stapelt die Prozedur die Vielzahl der gewöhnlichen Zellen 12 und die Überwachungszelle 14, um die Brennstoffzelle 10 herzustellen.
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In der Brennstoffzelle 10, die durch das vorstehende Herstellungsverfahren hergestellt ist, ist die Spannung der Überwachungszelle 14 gleich oder niedriger als der Wert, der durch Subtrahieren des spezifizierten Werts von der mittleren Spannung der Vielzahl von gewöhnlichen Zellen 12 erhalten wird. Die Überwachungszelle 14 kann somit effektiv als das Überwachungsziel des Überwachungsgeräts 92 arbeiten. Zusätzlich kann die Konfiguration dieser Brennstoffzelle 10 verhindern, dass die Überwachungszelle 14 eine negative Spannung aufweist, auch wenn die Spannung der Überwachungszelle 14 unter der vorbestimmten Bedingung abfällt.
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Im Folgenden wird der Grund beschrieben, warum dieses Herstellungsverfahren eingesetzt wird, zusammen mit der gewünschten Performance der Überwachungszelle 14. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird der Druckverlust an der Anode der Überwachungszelle 14 größer gemacht als der Druckverlust an der Anode der gewöhnlichen Zelle 12, so dass die Überwachungszelle 14 mit einer höheren Empfindlichkeit als die gewöhnliche Zelle 12 auf den Zustand eines Mangels an Wasserstoff reagiert, bei dem die Zufuhr von Wasserstoffgas zu der Brennstoffzelle 10 mangelhaft ist; mit anderen Worten, so dass die Spannung der Überwachungszelle 14 beginnt, sich zu verringern, vor einer Verringerung der Spannung der gewöhnlichen Zelle 12 in diesem Zustand.
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Wenn die Differenz zwischen dem Druckverlust an der Anode der Überwachungszelle 14 und dem Druckverlust an der Anode der gewöhnlichen Zelle 12 (nachstehend als eine Druckverlustdifferenz bezeichnet) zu klein ist, ist die Reaktion der Überwachungszelle 14 (Spannungsabfall) auf den Zustand des Mangels an Wasserstoff nicht signifikant verschieden von der Reaktion der gewöhnlichen Zelle 12 auf den Zustand des Mangels an Wasserstoff. Die Überwachungszelle 14 kann somit nicht ausreichend als Sensor dienen.
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Wenn andererseits die Druckverlustdifferenz zu groß ist, kann die Spannung der Überwachungszelle 14 übermäßig auf oder unter 0 V (negative Spannung) verringert werden und kann eine Verschlechterung der Überwachungszelle 14 in dem Zustand verursachen, in dem es einen Mangel an Wasserstoff gibt, während einer Aufwärmoperation in einer Umgebung unter Null, oder in dem Zustand, dass die Elektrolytmembran 21, die in der Zelle enthalten ist, während einer Hochtemperaturoperation bei oder über 90°C übermäßig trocken ist (nachstehend als ein ausgetrockneter Zustand bezeichnet). Speziell ist es wahrscheinlich, dass das Phänomen, dass die Überwachungszelle 14 eine negative Spannung in dem ausgetrockneten Zustand aufweist, auftritt, wenn ein Wasserstoffmangel während einer Hochtemperaturoperation vorkommt.
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Dieses Ausführungsbeispiel diskutiert den erlaubten Bereich der Druckerlustdifferenz an der Anode zwischen der Überwachungszelle 14 und der gewöhnlichen Zelle 12, um solch eine vorstehend beschriebene Situation zu vermeiden. Das Folgende diskutiert den gewünschten Bereich der Spannung der Überwachungszelle 14 vor einer Diskussion über die Druckverlustdifferenz an der Anode zwischen der Überwachungszelle 14 und der gewöhnlichen Zelle 12.
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5 ist ein graphisches Schaubild, das die Beziehung der Stromdichte zu der Spannung der entsprechenden Zellen zeigt. 5 zeigt eine mittlere Spannung Vm der gewöhnlichen Zelle 12, die von den entsprechend gemessenen Spannungen einer Vielzahl von gewöhnlichen Zellen 12 bestimmt wird. Eine Kurve einer Spannung Vm2 ist unter einer Kurve der mittleren Spannung Vm gezeigt. Diese Spannung Vm2 wird durch Bestimmen einer Standardabweichung σ der Spannung der Vielzahl von gewöhnlichen Zellen 12 und Subtrahieren von 3σ, was das Dreifache dieser Standardabweichung σ ist, von der mittleren Spannung Vm erhalten. 5 zeigt ebenso einen Spannungsabfallgrad Vth der Zelle in dem Zustand des Mangels an Wasserstoff oder in dem ausgetrockneten Zustand.
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Wie in 5 gezeigt ist, nimmt die Spannung der entsprechenden Zellen mit einer Erhöhung der Stromdichte ab. Dieses Ausführungsbeispiel vermerkt eine Zellenspannung unter einer Spitzenlastenergieerzeugung der Brennstoffzelle 10 und spezifiziert die Spannung Vm2 unter der Spitzenlastenergieerzeugung als die obere Grenzspannung V1, während der Spannungsabfallgrad Vth als die untere Grenzspannung V2 spezifiziert wird.
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Es ist vorzuziehen, dass die Spannung der Überwachungszelle 14 unter der Spitzenlastenergieerzeugung nicht höher ist als die obere Grenzspannung V1. Dies verursacht, dass die Spannung der Überwachungszelle 14 klar von der Spannung der gewöhnlichen Zelle 12 unterscheidbar ist, und es ist wahrscheinlich, dass die Spannung der Überwachungszelle 14 niedriger ist als die Spannungen von im Wesentlichen allen gewöhnlichen Zellen 12. Dies ermöglicht, dass die Überwachungszelle 14 effektiv als das Überwachungsziel des Überwachungsgeräts 92 arbeiten kann.
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Es ist ebenso vorzuziehen, dass die Spannung der Überwachungszelle 14 unter der Spitzenlastenergieerzeugung nicht niedriger ist als die untere Grenzspannung V2. Dies verhindert, dass die Spannung der Überwachungszelle 14 auf oder unter 0 V (negative Spannung) fällt, auch in dem Fall eines Spannungsabfalls der Überwachungszelle 14 in einem abnormalen Zustand, zum Beispiel in dem Zustand eines Mangels an Wasserstoff oder in dem ausgetrockneten Zustand. Dies verhindert entsprechend eine Verschlechterung der Überwachungszelle 14.
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Wie vorstehend beschrieben ist es wünschenswert, dass die Spannung der Überwachungszelle 14 unter der Spitzenlastenergieerzeugung innerhalb des Bereichs zwischen der oberen Grenzspannung V1 und der unteren Grenzspannung V2 liegt.
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Das Folgende beschreibt den erlaubten Bereich der Druckverlustdifferenz an der Anode zwischen der Überwachungszelle 14 und der gewöhnlichen Zelle 12, um die Spannung der Überwachungszelle 14 unter der Spitzenlastenergieerzeugung auf den Bereich zwischen der oberen Grenzspannung V1 und der unteren Grenzspannung V2 zu beschränken. Die detaillierte Prozedur des Bestimmens der oberen Grenzspannung V1 und der unteren Grenzspannung V2 (= Spannungsabfallgrad Vth) wird später beschrieben.
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6 ist ein graphisches Schaubild, das die Beziehung der Druckverlustdifferenz an der Anode zwischen der Überwachungszelle 14 und der gewöhnlichen Zelle 12 zu der Spannung der Überwachungszelle 14 unter der Spitzenlastenergieerzeugung zeigt. 6 zeigt die mittlere Spannung Vm der Vielzahl von gewöhnlichen Zellen 12, die obere Grenzspannung V1 und die untere Grenzspannung V2 (= Spannungsabfallgrad Vth). Die entsprechenden Punkte, die in 6 gezeigt sind, sind Daten, die durch Messen der Spannungen der Überwachungszellen 14, die verschiedene Druckverlustdifferenzen an der Anode aufweisen, erhalten werden. Eine Kurve S1 ist eine Linie, die diese Daten gleichmäßig verbindet. Wie in 6 gezeigt ist, nimmt die Spannung der Überwachungszelle 14 mit einer Erhöhung einer Druckverlustdifferenz an der Anode zwischen der Überwachungszelle 14 und der gewöhnlichen Zelle 12 ab.
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Die Druckverlustdifferenz an dem Schnittpunkt zwischen der oberen Grenzspannung V1 und der Kurve S1 wird als P1 spezifiziert, wohingegen die Druckverlustdifferenz an dem Schnittpunkt zwischen der unteren Grenzspannung V2 und der Kurve S1 als P2 spezifiziert wird. Es ist dann verständlich, dass ein Beschränken der Druckverlustdifferenz an der Anode zwischen der Überwachungszelle 14 und der gewöhnlichen Zelle 12 auf den Bereich zwischen P1 und P2 verursacht, dass die Spannung der Überwachungszelle 14 unter der Spitzenlastenergieerzeugung auf den Bereich zwischen der oberen Grenzspannung V1 und der unteren Grenzspannung V2 beschränkt wird.
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Dementsprechend ermöglicht ein Anpassen der Druckverlustdifferenz an der Anode zwischen der Überwachungszelle 14 und der gewöhnlichen Zelle 12, so dass diese innerhalb des Bereichs zwischen P1 und P2 liegt, dass die Spannung der Überwachungszelle 14 auf den Bereich zwischen der oberen Grenzspannung V1 und der unteren Grenzspannung V2 beschränkt wird und stellt die optimale Performance der Überwachungszelle 14 bereit. Das Verfahren des Anpassens der Druckverlustdifferenz an der Anode zwischen der Überwachungszelle 14 und der gewöhnlichen Zelle 12 wird nachstehend beschrieben.
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Das Folgende beschreibt die Prozedur des Bestimmens der oberen Grenzspannung V1.
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7 ist ein graphisches Schaubild, das eine Verteilung einer Spannung einer Vielzahl von gewöhnlichen Zellen 12 zeigt. 7 zeigt das Messergebnis der Anzahl von gewöhnlichen Zellen 12 in Spannungsaufteilungen von 0,05 V, wenn die Spannung der Vielzahl von gewöhnlichen Zellen 12 unter den gleichen Operationsbedingungen gemessen wird. Wie in 7 gezeigt ist, ergibt die Messung der Spannung der Vielzahl von gewöhnlichen Zellen 12 ungefähr eine Normalverteilung der Spannung. Wie vorstehend beschrieben berechnet die Prozedur dieses Ausführungsbeispiels die Standardabweichung σ der Spannung der Vielzahl von gewöhnlichen Zellen 12. Die Prozedur spezifiziert dann den Wert Vm2, der durch Subtrahieren von 3σ von der mittleren Spannung Vm der Vielzahl von gewöhnlichen Zellen 12 erhalten wird, als die obere Grenzspannung V1. Wie in 7 gezeigt ist, gibt es im Wesentlichen keine gewöhnliche Zelle 12, deren Spannung niedriger ist als die obere Grenzspannung V1. Dementsprechend ist es verständlich, dass ein Steuern der Spannung der Überwachungszelle 14 auf oder unter die obere Grenzspannung V1 der Überwachungszelle 14 ermöglicht, effektiv als das Überwachungsziel des Überwachungsgeräts 92 zu arbeiten.
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8 ist ein graphisches Schaubild, das die Beziehung der Temperatur zu der mittleren Spannung Vm und der Spannung Vm2 zeigt. Wie in 8 gezeigt ist, unterscheidet sich die Differenz zwischen der mittleren Spannung Vm und der Spannung Vm2, das heißt eine Schwankung der Spannung der entsprechenden Zellen, signifikant gemäß der Temperatur. Genauer nimmt die Schwankung der Spannung der entsprechenden Zellen in einem niedrigeren Temperaturbereich und in einem höheren Temperaturbereich zu. Es ist dementsprechend vorzuziehen, dass die obere Grenzspannung V1 (= Spannung Vm2) und P1 unter einer Temperaturbedingung bestimmt werden, die die Schwankung der Spannung der entsprechenden Zellen maximiert.
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Das Folgende beschreibt die Prozedur des Bestimmens des Spannungsabfallgrades Vth entsprechend der unteren Grenzspannung V2. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Spannungsabfallgrad Vth einen Spannungsabfallgrad Vth1 in dem Zustand des Mangels an Wasserstoff unter einer schnellen Aufwärmoperation und einen Spannungsabfallgrad Vth2 in dem ausgetrockneten Zustand während einer Hochtemperaturoperation.
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9 ist ein graphisches Schaubild, das die Beziehung des Ablaufs der Zeit einer schnellen Aufwärmoperation zu der Zellspannung zeigt. Wie in 9 gezeigt ist, ist es wahrscheinlich, dass in den entsprechenden Zellen ein Mangel an Wasserstoff und eine Spannungsabnahme auftritt während einer schnellen Aufwärmoperation in einer Unternullumgebung von oder unter 0°C auftritt. Die Spannungsabnahme auf eine negative Spannung von oder unter 0 V kann eine Verschlechterung der Zellen verursachen.
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Die Prozedur dieses Ausführungsbeispiels bestimmt dementsprechend eine Spannungsabfallrate [dV/dt] basierend auf dem Gefälle einer Kurve S2, die in 9 gezeigt ist, und multipliziert die Spannungsabfallrate mit dem Überwachungszyklus T des Überwachungsgeräts 92, um den Spannungsabfallgrad Vth1 während des Überwachungszyklus T zu bestimmen. In diesem Ausführungsbeispiel nimmt der Spannungsabfallgrad Vth1 in dem Zustand eines Spannungsabfalls einen positiven Wert an.
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Das Folgende beschreibt den Grund, warum das Produkt der Spannungsabfallrate und des Überwachungszyklus T als der Spannungsabfallgrad Vth1 eingesetzt wird. Wie vorstehend beschrieben überwacht das Überwachungsgerät 92 die Spannung der Überwachungszelle 14 zu jedem Überwachungszyklus T. Wenn in der Überwachungszelle 14 ein Mangel an Wasserstoff auftritt und ein Spannungsabfall während einer schnellen Aufwärmoperation auftritt, erfasst das Überwachungsgerät 92 den Spannungsabfall der Überwachungszelle 14. Wenn das Überwachungsgerät 92 den Spannungsabfall der Überwachungszelle 14 erfasst, wird durch die Steuerung 91 dem Ausgabestrom der Brennstoffzelle 10 eine Beschränkung auferlegt und dadurch ein weiterer Spannungsabfall der Überwachungszelle 14 verhindert. Die Spannung der Überwachungszelle 14 fällt dementsprechend während nur des Überwachungszyklus T maximal ab.
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10 ist ein graphisches Schaubild, das die Beziehung der Druckverlustdifferenz an der Anode zwischen der Überwachungszelle 14 und der gewöhnlichen Zelle 12 zu der Spannung der Überwachungszelle 14 unter einer schnellen Aufwärmoperation zeigt. 10 zeigt den Spannungsabfallgrad Vth1 in dem Zustand des Mangels an Wasserstoff. Die Druckverlustdifferenz an dem Schnittpunkt einer Kurve S3 und dem Spannungsabfallgrad Vth1 wird als P2h spezifiziert. Dieser Wert P2h gibt eine obere Grenze einer Druckverlustdifferenz an, die verhindert, dass die Überwachungszelle 14 in dem Zustand eines Mangels an Wasserstoff eine negative Spannung aufweist.
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Die Prozedur bestimmt dann den Spannungsabfallgrad Vth2 in dem ausgetrockneten Zustand. Die Prozedur des Bestimmens des Spannungsabfallgrades Vth2 in dem ausgetrockneten Zustand ist im Wesentlichen die gleiche wie die Prozedur des Bestimmens des Spannungsabfallgrades Vth1 in dem Zustand des Mangels an Wasserstoff, der in 9 gezeigt ist. Genauer bestimmt die Prozedur eine Spannungsabfallrate [dV/dt] basierend auf dem Gefälle eines Spannungsabfalls in dem ausgetrockneten Zustand und multipliziert die Spannungsabfallrate mit dem Überwachungszyklus T des Überwachungsgeräts 92, um den Spannungsabfallgrad Vth2 während des Überwachungszyklus T zu bestimmen. Die Prozedur spezifiziert dann P2d von der Spannungsabfallbreite Vth2 mit Bezug auf einen Graph, der ähnlich zu 10 ist. In diesem Fall sollte jedoch die Ordinate von 10 mit "Zellenspannung unter Spitzenlastoperation bei hoher Temperatur" ersetzt werden. Dieser Wert P2d gibt eine obere Grenze einer Druckverlustdifferenz an, die verhindert, dass die Überwachungszelle 14 in dem ausgetrockneten Zustand eine negative Spannung aufweist.
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Der kleinere Wert von P2h (in dem Zustand des Mangels an Wasserstoff) und P2d (in dem ausgetrockneten Zustand) wird als eine obere Grenze einer Druckverlustdifferenz P2 spezifiziert. Die Druckverlustdifferenz zwischen der Überwachungszelle 14 und der gewöhnlichen Zelle 12 wird dann gesteuert, um gleich oder weniger als P2 zu sein.
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Diese Prozedur verhindert, dass die Überwachungszelle 14 eine negative Spannung aufweist, auch in dem Fall eines Spannungsabfalls der Überwachungszelle 14 in dem Zustand des Mangels an Wasserstoff oder in dem Fall eines Spannungsabfalls der Überwachungszelle 14 in dem ausgetrockneten Zustand.
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A-4. Andere Einrichtungen bzw. Mittel zum Anpassen eines Druckverlustes
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Das Folgende beschreibt andere Einrichtungen zum Anpassen des Druckverlustes an der Anode der Überwachungszelle 14, so dass dieser größer ist als der Druckverlust an der Anode der gewöhnlichen Zelle 12. Jede der vorstehend beschriebenen Einrichtungen bzw. Mittel und der nachstehend beschriebenen Einrichtungen bzw. Mittel könnte alleine oder in Kombination durchgeführt werden, so dass der Druckverlust an der Anode der Überwachungszelle 14 auf den Bereich zwischen P1 und P2 beschränkt wird.
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Einrichtung 1:
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Maßnahme, die in der Umgebung des Anschlussstückes angewendet wird
- – Eine Platte, die als ein Widerstand zu der Strömung des Wasserstoffgases dient, wird an dem Abschnitt des Zuführens des Wasserstoffgases zu der Überwachungszelle 14 in dem Wasserstoffgaszuführanschlussstück 29a platziert. Genauer reduziert dies den Öffnungsbereich an dem Zuführanschluss des Wasserstoffgases zum Beispiel durch Ändern der Länge einer Dichtungsplatte, die in der Überwachungszelle 14 bereitgestellt ist. Diese Dichtungsplatte dient als ein Element zum Blockieren des Gasströmungspfades in der Zelle und ist auf dem Separator bereitgestellt.
- – Der Querschnittsbereich des Abschnitts des Zuführens des Wasserstoffgases zu der Überwachungszelle 14 in dem Wasserstoffgaszuführanschlussstück 29a wird mit einer Abnahme der Entfernung von der Überwachungszelle 14 schrittweise verringert.
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Einrichtung 2:
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Maßnahme, die in der Umgebung des Separators angewendet wird
- – Die Oberfläche einer Dichtungsplatte, die in der Überwachungszelle 14 bereitgestellt ist, wird mit einem Ionomer oder Gummi beschichtet. Dies ändert die Dicke der Dichtungsplatte und reduziert den Öffnungsbereich an dem Zuführanschluss des Wasserstoffgases.
- – Die Dichtungsplatte, die in der Überwachungszelle 14 bereitgestellt ist, wird einer Hydrophilisierungsbehandlung unterzogen.
- – Die Menge an Gummi, die auf die Dichtungsplatte aufgebracht wird, die in der Überwachungszelle 14 bereitgestellt ist, wird geändert.
- – Die Form des Strömungspfades in der Dichtungsplatte, die in der Überwachungszelle 14 bereitgestellt ist, wird geändert.
- – Die Breite des Gasströmungspfades in der Überwachungszelle 14 wird geändert. Genauer wird ein Membran-Elektroden-Aufbau, an dem die Elektrolytmembran mit den Katalysatorelektroden verbunden ist, zum Beispiel durch Erhöhen der Breite des Gasströmungspfades in den Gasströmungspfad erweitert.
- – Der Gasströmungspfad in der Überwachungszelle 14 wird mit einem Ionomer beschichtet. Dies reduziert den Querschnittsbereich des Gasströmungspfades.
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Einrichtung 3:
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Maßnahme, die in dem Bereich einer Gasdiffusionsschicht und einer Katalysatorschicht angewendet wird
- – Die Porosität der Katalysatorschicht wird durch Erhöhen des Grades des Verdickens eines Ionomers in der Katalysatorschicht der Überwachungszelle 14 verringert. Es ist vorzuziehen, das Gewichtsverhältnis des Ionomers zu Kohlenstoff (I/C) zu verringern, damit es wahrscheinlicher wird, dass die Überwachungszelle 14 während einer Hochtemperaturoperation in dem ausgetrockneten Zustand ist.
- – Ein einfach zu brechendes Material wird als das Material für eine mikroporöse Schicht (MPL) der Anode in der Überwachungszelle 14 eingesetzt. Diese mikroporöse Schicht ist eine Schicht, die auf der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht gebildet ist und feinere Poren als die der Gasdiffusionsschicht besitzt.
- – Die Gasdiffusionsschicht der Überwachungszelle 14 wird in den Wasserstoffgasströmungspfad gebogen bzw. abgesenkt. Genauer ist es wahrscheinlich, dass die Gasdiffusionsschicht in den Wasserstoffgasströmungspfad gebogen bzw. abgesenkt wird, zum Beispiel durch Einsetzen eines Materials mit einer niedrigen Biegesteifheit als das Material der Gasdiffusionsschicht oder durch Erhöhen der Breite des Wasserstoffgasströmungspfades. Kohlenstofffasern, die in der Gasdiffusionsschicht enthalten sind, richten sich wahrscheinlich in der Rollenlängsrichtung in einer Rollenform aus. Die Gasdiffusionsschicht besitzt deshalb in der Rollenlängsrichtung eine höhere Biegesteifheit als die Biegesteifheit in der Rollenbreitenrichtung. Es ist deshalb vorzuziehen, die Rollenrichtung der Gasdiffusionsschicht zu berücksichtigen, damit die Gasdiffusionsschicht wahrscheinlicher in den Wasserstoffgasströmungspfad gebogen bzw. abgesenkt wird.
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Wie vorstehend beschrieben passt die Prozedur dieses Ausführungsbeispiels den Druckverlust an der Anode der Überwachungszelle 14 derart an, dass die Spannung der Überwachungszelle 14 auf den Bereich zwischen der oberen Grenzspannung V1 und der unteren Grenzspannung V2 beschränkt ist. Dies verhindert, dass die Überwachungszelle 14 aufgrund eines Spannungsabfalls in dem Zustand eines Mangels an Wasserstoff oder in dem ausgetrockneten Zustand eine negative Spannung aufweist, während ermöglicht wird, dass die Überwachungszelle 14 effektiv als das Überwachungsziel des Überwachungsgeräts 92 arbeitet.
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B. Modifikationen
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Diese Erfindung ist nicht auf irgendeinen der vorstehenden Aspekte und Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann durch irgendeinen von vielen weiteren Aspekten innerhalb des Umfangs der Erfindung implementiert werden. Einige Beispiele von möglichen Modifikationen sind nachstehend beschrieben.
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B1. Modifikation 1
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11 ist ein Diagramm, das schematisch die Struktur einer Brennstoffzelle 10b gemäß einer Modifikation darstellt. Der Unterschied von der Struktur der Brennstoffzelle des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels ist das Bereitstellen von drei Überwachungszellen 14. Ansonsten ist die Struktur der Modifikation die gleiche wie die des Ausführungsbeispiels. Wie bei dieser Modifikation könnten zwei oder mehrere Überwachungszellen 14 bereitgestellt.
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B2. Modifikation 2
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Die Prozedur des vorstehenden Ausführungsbeispiels nimmt eine Anpassung vor, um zu verursachen, dass der Druckverlust an der Anode der Überwachungszelle 14 größer ist als der Druckverlust an der Anode der gewöhnlichen Zelle 12. Alternativ kann eine Anpassung vorgenommen werden, um zu verursachen, dass der Druckverlust an der Kathode der Überwachungszelle 14 größer ist als der Druckverlust an der Kathode der gewöhnlichen Zelle 12.
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B3. Modifikation 3
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Die Prozedur des vorstehenden Ausführungsbeispiels subtrahiert 3σ von der mittleren Spannung Vm, um die obere Grenzspannung V1 zu bestimmen. Alternativ kann irgendein anderer spezifizierter Wert, zum Beispiel 2σ, σ oder 5% der mittleren Spannung Vm, von der mittleren Spannung Vm subtrahiert werden.
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B4. Modifikation 4
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Die Prozedur des vorstehenden Ausführungsbeispiels bestimmt sowohl den Spannungsabfallgrad Vth1 in dem Zustand des Mangels an Wasserstoff als auch den Spannungsabfallgrad Vth2 in dem ausgetrockneten Zustand, um die untere Grenzspannung V2 zu bestimmen. Mit anderen Worten bestimmt die Prozedur des vorstehenden Ausführungsbeispiels zwei Spannungsabfallraten unter zwei unterschiedlichen Bedingungen und bestimmt dann zwei Spannungsabfallgrade unter den zwei unterschiedlichen Bedingungen. Alternativ können die Spannungsabfallrate und der Spannungsabfallgrad zusätzlich unter einer anderen Bedingung bestimmt werden, oder können die Spannungsabfallrate und der Spannungsabfallgrad unter nur einer Bedingung bestimmt werden. Zum Beispiel kann die Prozedur nur den Spannungsabfallgrad Vth1 in dem Zustand des Mangels an Wasserstoff oder nur den Spannungsabfallgrad Vth2 in dem Austrocknungszustand bestimmen.
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B5. Modifikation 5
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Die Prozedur des vorstehenden Ausführungsbeispiels nimmt an, dass die Spannungsabfallrate der Überwachungszelle 14 ungefähr gleich der Spannungsabfallrate der gewöhnlichen Zelle 12 ist, und bestimmt den Spannungsabfallgrad Vth1 mit Bezug auf 9 unter Verwendung der gewöhnlichen Zelle 12. Alternativ kann die Prozedur den Spannungsabfallgrad Vth1 unter Verwendung einer Testzelle, die eine ähnliche Struktur wie die Überwachungszelle 14 aufweist, anstelle der gewöhnlichen Zelle 12 bestimmen.
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B6. Modifikation 6
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Das vorstehende Ausführungsbeispiel verwendet die Druckverlustdifferenz zwischen der Überwachungszelle 14 und der gewöhnlichen Zelle 12 als die Abszisse von 6 und 10. Alternativ kann der Druckverlust der Überwachungszelle 14 als die Abszisse von 6 und 10 eingesetzt werden.
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B7. Modifikation 7
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Das vorstehende Ausführungsbeispiel beschreibt das Brennstoffzellensystem 100, das an einem Fahrzeug angebracht ist. Das Brennstoffzellensystem 100 des vorstehenden Ausführungsbeispiels kann jedoch an einem anderen beweglichen Körper außer dem Fahrzeug angebracht sein, oder kann als eine stationäre Art bereitgestellt werden.
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B8. Modifikation 8
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Ein Teil der Funktionen, die in dem vorstehenden Ausführungsbeispiel durch Softwarekonfiguration implementiert werden, können durch Hardwarekonfiguration implementiert werden. Ähnlich kann ein Teil der Funktionen, die durch Hardwarekonfiguration implementiert werden, durch Softwarekonfiguration implementiert werden.
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Die Erfindung ist nicht auf irgendeines der Ausführungsbeispiele, der Beispiele und Modifikationen, die vorstehend beschrieben wurden, beschränkt, sondern kann durch eine Vielzahl von weiteren Konfigurationen implementiert werden, ohne sich von dem Umfang der Erfindung zu entfernen. Zum Beispiel können die technischen Merkmale der Ausführungsbeispiele, der Beispiele oder Modifikationen entsprechend den technischen Merkmalen der entsprechenden Aspekte, die in der Zusammenfassung beschrieben werden, angemessen ausgetauscht oder kombiniert werden, um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen oder um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen vorteilhaften Effekte zu erreichen. Jegliche der technischen Merkmale können angemessen weggelassen werden, solange dieses technische Merkmal hierin nicht als wesentlich beschrieben wurde.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennstoffzelle
- 10b
- Brennstoffzelle
- 12
- gewöhnliche Zelle
- 14
- Überwachungszelle
- 21
- Elektrolytmembran
- 22a
- Anode
- 22b
- Kathode
- 24a
- Gasdiffusionsschicht
- 24b
- Gasdiffusionsschicht
- 26a
- Separator
- 26b
- Separator
- 27
- Brenngasströmungspfad
- 28
- Oxidationsgasströmungspfad
- 29a
- Wasserstoffgaszuführanschlussstück
- 29a1
- Zuführanschluss
- 29b
- Wasserstoffgasausstoßanschlussstück
- 29c
- Verteiler
- 60
- Brenngassystem
- 61
- Wasserstofftank
- 62
- Abschaltventil
- 63
- Regler
- 64
- Rohrleitung
- 65
- Rohrleitung
- 66
- Gas-Flüssigkeits-Separator
- 67a
- Rohrleitung
- 67b
- Rohrleitung
- 68
- Kreislaufpumpe
- 69
- Auslassventil
- 70
- Oxidationsgassystem
- 71
- Luftreiniger
- 72
- Luftkompressor
- 73
- Rohrleitung
- 74
- Rohrleitung
- 76
- Verdünner
- 77
- Rohrleitung
- 80
- Kühlsystem
- 81
- Radiator
- 82
- Kreislaufpumpe
- 83
- Rohrleitung
- 90
- Steuerungseinheit
- 91
- Steuerung
- 92
- Überwachungsgerät
- 95
- Ausgabeanforderung
- 100
- Brennstoffzellensystem
