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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil der am 15. November 2014 eingereichten vorläufigen
Japanischen Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 2014-232248 , deren Offenlegung hierdurch vollumfänglich in Bezug genommen wird.
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HINTERGRUND
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GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle.
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VERWANDTE TECHNIK
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Es ist ein Verfahren bekannt, mit dem anhand einer Impedanz einer Brennstoffzelle erkannt wird, ob eine die Brennstoffzelle ausgestaltende Elektrolytmembran trocken ist oder nicht. Speziell wird erkannt, dass die Elektrolytmembran nass ist, wenn die Impedanz einen Referenzwert unterschreitet, und dass die Elektrolytmembran trocken ist, wenn die Impedanz gleich oder größer als der Referenzwert ist (
JP2009-231225 ).
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KURZFASSUNG
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Im Falle des oben beschriebenen Standes der Technik besteht ein Risiko der Fehlerkennung, wenn die Impedanz der Brennstoffzelle sich aus einem anderen Grund als wegen der Trockenheit der Elektrolytmembran ändert. Der vorliegende Aspekt bezweckt die Bereitstellung einer Lösung für die Verhinderung einer solchen Fehlerkennung.
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Der vorliegende Aspekt bezweckt die Lösung des oben beschriebenen Problems und kann in den nachstehend beschriebenen Formen realisiert werden.
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Gemäß einer Form des vorliegenden Aspekts wird ein nachstehend beschriebenes Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst: ein Messgerät, das eine Impedanz der Brennstoffzelle misst; ein Steuergerät, das einen Betriebszustand der Brennstoffzelle steuert; und ein Erfassungsgerät, das einen Trockenheitsgrad der Brennstoffzelle anhand der gemessenen Impedanz erfasst, wenn der Betriebszustand ein erster Betriebszustand ist, und den Trockenheitsgrad der Brennstoffzelle als nassen Zustand erfasst, wenn der Betriebszustand ein zweiter Betriebszustand ist, in dem eine Wasserbilanz größer als der erste Betriebszustand ist. Nach der vorliegenden Form kann im Betriebszustand mit erhöhter Wasserbilanz eine Fehlerkennung verhindert werden. Das liegt daran, dass im Betriebszustand mit erhöhter Wasserbilanz die impedanzbasierte Trockenheitserkennung unterbrochen wird. Im Betriebszustand mit erhöhter Wasserbilanz besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Fehlerkennung während der impedanzbasierten Trockenheitserkennung.
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Das Erfassungsgerät erfasst den Trockenheitsgrad als nassen Zustand, wenn der Realteil der Impedanz kleiner als der Referenzwert ist, und erfasst auch den Realteil anhand der vom Messgerät vorgenommenen Messung, wenn der Betriebszustand der erste Betriebszustand ist, und der Realteil kann als ein Wert kleiner als der Referenzwert betrachtet werden, wenn der Betriebszustand der zweite Betriebszustand ist. Nach der vorliegenden Form kann im ersten und im zweiten Betriebszustand jeweils der gleiche Referenzwert verwendet werden.
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Gemäß einer anderen Form des vorliegenden Aspekts wird ein nachstehend beschriebenes Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst: ein Messgerät, das eine Impedanz der Brennstoffzelle misst; ein Steuergerät, das einen Betriebszustand der Brennstoffzelle steuert; und ein Erfassungsgerät, das einen Trockenheitsgrad der Brennstoffzelle anhand der gemessenen Impedanz erfasst, wenn der Betriebszustand ein erster Betriebszustand ist, und den Trockenheitsgrad der Brennstoffzelle anhand der vom Messgerät während des ersten Betriebszustands gemessenen Impedanz erfasst, wenn der Betriebszustand ein zweiter Betriebszustand ist, in dem eine Wasserbilanz größer als der erste Betriebszustand ist. Nach der vorliegenden Form kann im Betriebszustand mit erhöhter Wasserbilanz eine Fehlerkennung verhindert werden. Das liegt daran, dass im Betriebszustand mit erhöhter Wasserbilanz die Trockenheitserkennung mit Hilfe der Impedanz durchgeführt wird, die während des Betriebszustands mit geringerer Wasserbilanz gemessen wurde.
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Der zweite Betriebszustand kann ein Zustand sein, in dem der Betrieb erfolgt, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle kleiner ist als ein vorherbestimmter Wert. Nach der vorliegenden Form kann das Vorliegen des ersten Betriebszustandes oder des zweiten Betriebszustandes auf stabile Weise bestimmt werden.
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Das Messgerät kann die Impedanz mit Hilfe einer einzelnen Frequenz messen. Nach der vorliegenden Form lässt sich die Impedanz leicht messen.
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Wenn das Erfassungsgerät den Trockenheitsgrad als trockenen Zustand erfasst, kann das Steuergerät den Befeuchtungsvorgang ausführen, in dem die Wasserbilanz höher als der erste Betriebszustand ist. Nach der vorliegenden Form kann die Trockenheit der Brennstoffzelle geregelt werden.
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Der vorliegende Aspekt kann neben der obigen Form in verschiedenen anderen Formen realisiert werden. Mögliche Realisierungsformen des vorliegenden Aspekts sind beispielsweise ein Betriebsverfahren einer Brennstoffzelle, ein Computerprogramm zur Realisierung eines solchen Verfahrens, ein nichtflüchtiges Speichermedium, auf dem ein solches Computerprogramm gespeichert ist, eine Trockenheitsgrad-Erfassungsvorrichtung, in der ein solches Computerprogramm ausgeführt wird, und eine Trockenheitssteuervorrichtung, in der ein solches Computerprogramm ausgeführt wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems.
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2 ist eine schematische Darstellung einer elektrischen Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems.
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3 ist ein Flussdiagramm, das einen Trockenheitssteuerprozess darstellt (erste Ausführungsform).
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4 ist ein Schaltbild, das eine äquivalente Schaltung einer Brennstoffzelle darstellt.
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5 ist eine Darstellung eines Cole-Cole-Diagramms in einer äquivalenten Schaltung.
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6 ist ein Diagramm zur schematischen Darstellung des Verhältnisses zwischen dem Realteil der Impedanz und der Temperatur des Kühlmediums.
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7 ist ein Flussdiagramm, das einen Trockenheitssteuerprozess darstellt (zweite Ausführungsform).
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es folgt die Beschreibung einer ersten Ausführungsform. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems 100. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst eine Brennstoffzelle 10, eine Steuervorrichtung 20, einen Kathodengaszufuhrbereich 30, einen Kathodengasabführbereich 40, einen Anodengaszufuhrbereich 50, einen Anodengaszirkulations- und -abführbereich 60 und einen Kühlmediumzufuhrbereich 70.
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Die Brennstoffzelle 10 ist eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle, die durch Aufnahme einer Zufuhr von Reaktionsgas Wasserstoff (Anodengas) und Luft (Kathodengas) Strom erzeugt. Die Brennstoffzelle 10 weist eine Stapelstruktur auf, in der eine Mehrzahl von Einheitszellen 11 gestapelt sind. Jede Zelle 11 weist eine Membran-Elektroden-Anordnung, die ein Stromgenerator ist, in dem Elektroden an beiden Oberflächen einer Elektrolytmembran angeordnet sind, und zwei Abscheider (Separatoren), zwischen denen sich die Membran-Elektroden-Anordnung befindet, auf.
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Die Elektrolytmembran wird durch einen Festpolymer-Dünnfilm ausgestaltet, der eine ausgezeichnete Protonenleitfähigkeit aufweist, wenn der Trockenheitsgrad der nasse Zustand ist. Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden Ausführungsform der Trockenheitsgrad ein Index ist, der entweder als nasser Zustand oder als trockener Zustand bestimmt wird. Der nasse Zustand ist ein Zustand, in dem eine ausgezeichnete Protonenleitfähigkeit, wie dies oben beschrieben ist, vorliegt und der den Betrieb der Brennstoffzelle 10 nicht behindert. Der trockene Zustand ist ein Zustand, der nicht der nasse Zustand ist, das heißt ein Zustand, in dem die Protonenleitfähigkeit nicht gut ist und der den Betrieb der Brennstoffzelle 10 behindert. Die Elektroden werden durch Kohlenstoff ausgestaltet. Ein Platinkatalysator zur Unterstützung der Stromerzeugungsreaktion wird in der Randfläche der Elektrode und der Elektrolytmembran geführt. In jeder Zelle 11 ist ein Verteiler (nicht dargestellt) für das Reaktionsgas und Kühlmedium vorgesehen. Das Reaktionsgas des Verteilers wird über den in jeder Zelle 11 vorgesehenen Gasströmungspfad zum Stromerzeugungsbereich jeder Zelle 11 geführt.
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Die Steuervorrichtung 20 weist ein Steuergerät 22 und ein Erfassungsgerät 25 auf. Das Steuergerät 22 empfängt eine Stromerzeugungsanforderung vom Verbraucher 200, steuert jeden der unten beschriebenen Ausgestaltungsbereiche des Brennstoffzellensystems 100 entsprechend der Anforderung und erzeugt Strom aus der Brennstoffzelle 10.
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Der Kathodengaszufuhrbereich 30 weist ein Kathodengasrohr 31, einen Luftkompressor 32 und einen Luftmengenmesser 33 auf. Das Kathodengasrohr 31 ist ein an der Kathodenseite der Brennstoffzelle 10 angeschlossenes Rohr. Der Luftkompressor 32 ist über das Kathodengasrohr 31 mit der Brennstoffzelle 10 verbunden und führt die unter Einbindung der Außenluft verdichtete Luft als Kathodengas zur Brennstoffzelle 10.
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Der Luftmengenmesser 33 misst die Menge der vom Luftkompressor 32 eingebundenen Außenluft auf der Oberstromseite des Luftkompressors 32 und sendet den Messwert an das Steuergerät 22. Die Steuervorrichtung 20 treibt ausgehend vom Messwert den Luftkompressor 32 an und steuert so die der Brennstoffzelle 10 zugeführte Luftmenge im Verhältnis zu der an den Verbraucher 200 angelegten erzeugten Leistung oder durch eine Ansteuerung getrennt von der angelegten Leistung.
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Der Kathodengasabführbereich 40 weist ein Kathodenabgasrohr 41, ein Druckregelventil 43 und ein Druckmessgerät 44 auf. Das Kathodenabgasrohr 41 ist ein an der Kathodenseite der Brennstoffzelle 10 angeschlossenes Rohr und führt das Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellensystem 100 nach außen. Das Druckregelventil 43 verstellt den Druck des Kathodenabgases (Staudruck der Brennstoffzelle 10) im Kathodenabgasrohr 41. Das Druckmessgerät 44 ist dem Druckregelventil 43 vorgeschaltet, misst den Druck des Kathodenabgases und sendet den Messwert an das Steuergerät 22. Das Steuergerät 22 verstellt die Öffnung des Druckregelventils 43 auf Grundlage des Messwerts des Druckmessgeräts 44.
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Der Anodengaszufuhrbereich 50 weist ein Anodengasrohr 51, einen Wasserstoffbehälter 52, ein Absperrventil 53 und einen Regler 54 auf. Der Wasserstoffbehälter 52 ist über das Anodengasrohr 51 mit der Anode der Brennstoffzelle 10 verbunden und führt den im Behälter eingefüllten Wasserstoff zur Brennstoffzelle 10.
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Das Absperrventil 53 und der Regler 54 sind im Anodengasrohr 51 oberstromseitig (d. h. nah zum Wasserstoffbehälter 52) in der genannten Reihenfolge vorgesehen. Das Absperrventil 53 öffnet und schließt entsprechend einer Anweisung von der Steuervorrichtung 20 und steuert den Zustrom von Wasserstoff aus dem Wasserstoffbehälter 52. Der Regler 54 ist ein Druckminderventil zum Einstellen des Wasserstoffdrucks, und die Ventilöffnung wird von der Steuervorrichtung 20 angesteuert.
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Der Anodengaszirkulations- und -abführbereich 60 weist ein Anodenabgasrohr 61, einen Gas-/Flüssigkeitsabscheider 62, ein Anodengaszirkulationsrohr 63, eine Wasserstoffumwälzpumpe 64, ein Anodenabwasserrohr 65 und ein Ablassventil 66 auf.
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Das Anodenabgasrohr 61 ist ein Rohr, das den Auslass der Anode der Brennstoffzelle 10 und den Gas-/Flüssigkeitsabscheider 62 miteinander verbindet, und führt das Anodenabgas, welches das in der Stromerzeugungsreaktion nicht verbrauchte, nicht umgesetzte Gas (wie Wasserstoff und Stickstoff) enthält, zum Gas-/Flüssigkeitsabscheider 62.
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Der Gas-/Flüssigkeitsabscheider 62 ist mit dem Anodengaszirkulationsrohr 63 und dem Anodenabwasserrohr 65 verbunden. Der Gas-/Flüssigkeitsabscheider 62 trennt die im Anodenabgas enthaltene Gaskomponente und Wasserkomponente, führt die Gaskomponente in das Anodengaszirkulationsrohr 63 und die Wasserkomponente in das Anodenabwasserrohr 65.
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Das Anodengaszirkulationsrohr 63 ist mit dem Anodengasrohr 51 verbunden. Die Wasserstoffumwälzpumpe 64 ist im Anodengaszirkulationsrohr 63 vorgesehen, und der Wasserstoff, der in der im Gas-/Flüssigkeitsabscheider 62 abgetrennten Gaskomponente enthalten ist, wird von der Wasserstoffumwälzpumpe 64 zum Anodengasrohr 51 geführt. Im Brennstoffzellensystem 100 wird somit die Wasserstoff-Nutzungseffizienz verbessert, indem der im Anodenabgas enthaltene Wasserstoff umgewälzt und zur Brennstoffzelle 10 zurückgespeist wird.
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Das Anodenabwasserrohr 65 ist ein Rohr, mit dem die im Gas-/Flüssigkeitsabscheider 62 abgeschiedene Wassermenge aus dem Brennstoffzellensystem 100 nach außen geleitet wird. Das Ablassventil 66 ist im Anodenabwasserrohr 65 vorgesehen und öffnet und schließt entsprechend einer Anweisung von der Steuervorrichtung 20. Bei laufendem Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 hält die Steuervorrichtung 20 das Ablassventil 66 normal geschlossen und öffnet das Ablassventil 66 zu einer vorherbestimmten, bereits eingestellten Wasserablasszeit oder zum Zeitpunkt der Abführung des im Anodenabgas vorhandenen Inertgases.
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Der Kühlmediumzufuhrbereich 70 weist ein Kühlmediumrohr 71, einen Radiator 72, eine Kühlmedium-Umwälzpumpe 73 und ein Kühlmediumtemperaturmessgerät 74 auf. Das Kühlmediumrohr 71 ist ein Rohr, das den Einlassverteiler und den Auslassverteiler für das Kühlmedium miteinander verbindet, die in der Brennstoffzelle 10 vorgesehen sind, und wälzt das Kühlmedium zur Kühlung der Brennstoffzelle 10 um. Der Radiator 72 ist im Kühlmediumrohr 71 vorgesehen und kühlt das Kühlmedium durch Wärmeaustausch zwischen dem das Kühlrohr 71 durchströmenden Kühlmedium und der Außenluft.
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Die Kühlmedium-Umwälzpumpe 73 ist im Kühlmediumrohr 71 dem Radiator 72 unterstromseitig nachgeschaltet (Kühlmedium-Einlassseite der Brennstoffzelle 10) und führt das im Radiator 72 gekühlte Kühlmedium zur Brennstoffzelle 10. Das Kühlmediumtemperaturmessgerät 74 ist in der Nähe des Kühlmediumauslasses der Brennstoffzelle 10 im Kühlmediumrohr 71 vorgesehen und sendet den Messwert an die Steuervorrichtung 20. Die Steuervorrichtung erkennt ausgehend vom Messwert des Kühlmediumtemperaturmessgeräts 74 die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 10. Die Steuervorrichtung 20 steuert den Radiator 72 und die Kühlmedium-Umwälzpumpe 73 entsprechend dem Erkennungsergebnis an und regelt so die Temperatur der Brennstoffzelle 10.
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2 ist eine schematische Darstellung einer elektrischen Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 100. Das Brennstoffzellensystem 100 weist eine Sekundärbatterie 81, einen DC/DC-Wandler 82, einen DC/AC-Wandler 83, einen Zellspannungsmesser 91, einen Strommesser 92, ein Messgerät 93 und einen Ladezustandsmesser 94 auf.
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Die Brennstoffzelle 10 ist mit dem DC/AC-Wandler 83 über eine Gleichstromleitung DCL verbunden. Die Sekundärbatterie 81 ist über den DC/DC-Wandler 82 mit der Gleichstromleitung DCL verbunden. Der DC/AC-Wandler 83 ist mit dem Verbraucher 200 verbunden.
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Die Sekundärbatterie 81 ist durch eine Lithiumionenbatterie ausgestaltet und arbeitet als Hilfsstromversorgung der Brennstoffzelle. Der DC/DC-Wandler 82 steuert das Laden und Entladen der Sekundärbatterie 81 und verstellt den Spannungspegel der Gleichstromleitung DCL entsprechend einer von der Steuervorrichtung 20 kommenden Anweisung. Wenn die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 10 für die vom Verbraucher 200 angeforderte Leistung nicht ausreicht, weist die Steuervorrichtung eine Energiezufuhr aus der Sekundärbatterie 81 über den DC/DC-Wandler 82 an.
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Der DC/AC-Wandler 83 wandelt die von der Brennstoffzelle 10 und von der Sekundärbatterie 81 kommende Gleichstromleistung in Wechselstromleistung um und liefert diese an den Verbraucher 200. Wenn regenerative elektrische Leistung im Verbraucher 200 erzeugt wird, wird die regenerative elektrische Leistung vom DC/AC-Wandler 83 in Gleichstrom umgewandelt und für das Aufladen der Sekundärbatterie 81 über den DC/DC-Wandler 82 verwendet.
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Der Zellspannungsmesser 91 ist mit jeder Zelle 11 der Brennstoffzelle 10 verbunden und misst die Spannung jeder Zelle 11 (Zellspannung). Der Zellspannungsmesser 91 sendet das Messergebnis an die Steuervorrichtung 20.
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Der Strommesser 92 ist mit der Gleichstromleitung DCL verbunden, misst den von der Brennstoffzelle 10 abgegebenen Stromwert und sendet ihn an die Steuervorrichtung 20. Der Ladezustandsmesser 94 ist mit der Sekundärbatterie 81 verbunden, misst den Ladezustand (SOC) der Sekundärzelle 81 und sendet diesen an die Steuervorrichtung 20.
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Das Messgerät 93 misst die Impedanz der Brennstoffzelle 10 mit einem Wechselstromverfahren. Die Impedanz der Brennstoffzelle 10 ändert sich in Abhängigkeit von der in der Brennstoffzelle 10 vorhandenen Wassermenge. Deshalb kann durch Messung der Impedanz schätzungsweise bestimmt werden, ob der Trockenheitsgrad der Elektrolytmembran der trockene Zustand oder der nasse Zustand ist. Das spezielle Bestimmungsverfahren wird in der Folge erläutert.
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3 ist ein Flussdiagramm, das einen Trockenheitssteuerprozess darstellt. Der Trockenheitssteuerprozess wird von der Steuervorrichtung 20 während der Zeit, in der die Brennstoffzelle 10 Strom erzeugt, wiederholt ausgeführt. Die Steuervorrichtung 20 arbeitet als Trockenheitssteuervorrichtung, in der ein Trockenheitssteuerverfahren durch Ausführung des Trockenheitssteuerprozesses implementiert wird. Die Steuervorrichtung 20 arbeitet auch als Trockenheitsgrad-Erfassungsvorrichtung durch Implementierung des Trockenheitsgrad-Erfassungsprozesses über die Ausführung des Trockenheitssteuerprozesses.
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Zunächst wird bestimmt, ob die Temperatur des Kühlmediums gleich oder größer als eine vorherbestimmte Temperatur T (zum Beispiel 50°C) ist (Schritt S310). Falls die Kühlmediumtemperatur gleich oder größer als die vorherbestimmte Temperatur T ist (Schritt S310, JA), wird der Realteil R1 der Impedanz gemessen (Schritt S320). Nachfolgend wird der ”Realteil der Impedanz” verkürzt einfach ”Realteil” genannt.
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4 zeigt eine äquivalente Schaltung während der oben beschriebenen Impedanzmessung. In 4 gilt: Ra bezeichnet den Lösungswiderstand, Rb bezeichnet den Reaktionswiderstand, und C bezeichnet die Kapazität im Elektro-Doppelschichtkondensator. Der Lösungswiderstand Ra steigt, wenn die oben beschriebene Elektrolytmembran trocknet. Das heißt, die Trockenheit der Elektrolytmembran kann durch eine Überwachung des Lösungswiderstands Ra erkannt werden.
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5 ist eine Darstellung eines Cole-Cole-Diagramms in einer äquivalenten Schaltung. Theoretisch ist der Realteil im Falle einer unendlich großen Frequenz f gleich dem Lösungswiderstand Ra. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Frequenz f fest auf einen relativ kleinen vorherbestimmten Wert eingestellt (beispielsweise auf einen beliebigen Wert zwischen 200 und 240 Hz), und der so erhaltene Realteil R1 wird als Lösungswiderstand Ra betrachtet.
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Als nächstes wird bestimmt, ob der Realteil R1 gleich oder größer als der Referenzwert Rt ist (Schritt S330). Falls der Realteil gleich oder größer als der Referenzwert Rt ist (Schritt S330, JA), erfasst das Erfassungsgerät 25 den Trockenheitsgrad als trockenen Zustand (Schritt S340). Das heißt, wenn der Realteil R1 gleich oder größer als der Referenzwert Rt ist, erkennt das Erfassungsgerät 25, dass die Elektrolytmembran sich im trockenen Zustand befindet. Bei Kühlmediumtemperatur T2 illustriert 5 den Realteil R1d (T2) als Wert für den Fall der trockenen Elektrolytmembran. Die Temperatur T2 ist eine höhere Temperatur als die vorherbestimmte Temperatur T, zum Beispiel 80°C.
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Daraufhin wird nach Ausführung der Befeuchtungssteuerung (Schritt S350) der Trockenheitssteuerprozess vom Steuergerät 22 beendet. Die Befeuchtungssteuerung kann insbesondere durch Absenken der Temperatur der Brennstoffzelle, Vermindern des stöchiometrischen Verhältnisses des Kathodengases und/oder des Anodengases, oder Schließen des Ablassventils 66 erfolgen. In Schritt S350 kann eines davon ausgeführt werden, oder es können zwei oder mehr gleichzeitig ausgeführt werden.
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Falls andererseits der Realteil R1 den Referenzwert Rt unterschreitet (Schritt S330, NEIN), wird der Trockenheitssteuerprozess beendet, nachdem das Erfassungsgerät 25 den Trockenheitsgrad als nassen Zustand erfasst (Schritt S360). Das heißt, falls der Realteil R1 kleiner als der Referenzwert Rt ist, beendet die Steuervorrichtung 20 den Trockenheitssteuerprozess, ohne dass eine Befeuchtungssteuerung durch das Steuergerät 22 ausgeführt wird. Der Grund dafür ist, dass für den Fall, dass der Realteil R1 den Referenzwert Rt unterschreitet, die Wahrscheinlichkeit hoch ist, dass die Elektrolytmembran nass ist. Das heißt, der Grund, weshalb keine Befeuchtungssteuerung erfolgt, wenn der Realteil R1 kleiner als der Referenzwert Rt ist, liegt darin, dass tatsächlich festgestellt wird, dass der Trockenheitsgrad der nasse Zustand ist. Bei Kühlmediumtemperatur T2 illustriert 5 den Realteil R1w (T2) als Wert für den Fall der nassen Elektrolytmembran.
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Wenn andererseits die Kühlmediumtemperatur eine vorherbestimmte Temperatur T unterschreitet (Schritt S310, NEIN), wird davon ausgegangen, dass der Realteil der Impedanz der im Vorfeld ausgewählte vorherbestimmte Wert ist (Schritt S325), und es wird Schritt S330 ausgeführt. Der vorherbestimmte Wert ist kleiner als der Referenzwert Rt. Wenn Schritt S325 ausgeführt wird, wird somit festgestellt, dass der Realteil der Impedanz den Referenzwert Rt unterschreitet (Schritt S330, NEIN). Das heißt, es wird ungeachtet des Realteils der Ist-Impedanz unverzüglich festgestellt, dass der Trockenheitsgrad der Elektrolytmembran der nasse Zustand ist, da die Kühlmediumtemperatur unterhalb der vorherbestimmten Temperatur T liegt.
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Es gibt also zwei Gründe dafür, dass eine Trockenheitserkennung vermieden wird, wenn die Kühlmediumtemperatur die vorherbestimmte Temperatur T unterschreitet. Der erste Grund ist, dass im Falle einer niedrigen Kühlmediumtemperatur der Anteil an gesättigtem Wasserdampf abnimmt, weshalb die Wahrscheinlichkeit hoch ist, dass die Elektrolytmembran nass ist. Wenn die Wahrscheinlichkeit einer nassen Elektrolytmembran hoch ist, ist die Notwendigkeit zur Ausführung einer Trockenheitserkennung gering.
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Der zweite Grund ist das mögliche Auftreten einer Fehlerkennung. Wie dies weiter oben beschrieben ist, ist der Realteil R1, da der Wert der Frequenz f relativ klein ist, nicht nur davon abhängig, ob die Elektrolytmembran nass oder trocken ist, sondern hängt auch stark von der Temperatur des Kühlmediums ab. Dieser Grund wird nachstehend erläutert.
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Ist die Temperatur des Kühlmediums gering, sinkt auch die Temperatur der Brennstoffzelle ab. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle abfällt und eine bestimmte Temperatur (eine Temperatur, die nahezu mit der vorherbestimmten Temperatur T übereinstimmt) unterschreitet, erhöht sich die Wasserbilanz, wodurch der Wassergehalt in der Brennstoffzelle einen überhohen Wert erreicht, was tendenziell zum Auftreten von Kondensatwasser führt. Durch die Kondensatbildung erhöht sich der Gasdiffusionswiderstand. Die Erhöhung des Gasdiffusionswiderstands beeinträchtigt die Impedanzmessung als Erhöhung des Widerstands Rb in der äquivalenten Schaltung.
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Die Erhöhung des Widerstands Rb drückt sich als Zunahme des Halbkreisradius im Cole-Cole-Diagramm aus. Der wachsende Halbkreisradius führt zu einer Erhöhung des Wertes von Realteil R1, selbst wenn die Frequenz f identisch ist. 5 zeigt einen Teil des Halbkreises für eine nasse Elektrolytmembran bei einer Kühlmediumtemperatur T1. Temperatur T1 ist eine niedrigere Temperatur als die vorherbestimmte Temperatur T, zum Beispiel 30°C. Wie dies in 5 dargestellt ist, überschreitet bei einer Kühlmediumtemperatur von T1 der entsprechend der Frequenz f gemessene Realteil R1w (T1) den Referenzwert Rt.
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6 ist ein Diagramm zur schematischen Darstellung des Verhältnisses zwischen dem Realteil R1 und der Temperatur des Kühlmediums. Dieses Diagramm zeigt ein Verhältnis ausgehend von der Annahme, dass die Elektrolytmembran nass und die Frequenz während der Impedanzmessung fest ist. Ist die Kühlmediumtemperatur gleich oder größer als die vorherbestimmte Temperatur T, stabilisiert sich der Realteil R1 beim Realteil R1w (T2), wie dies in 6 zu sehen ist. Ist hingegen die Kühlmediumtemperatur kleiner als die vorherbestimmte Temperatur T, so nimmt der Realteil R1 mit sinkender Kühlmediumtemperatur zu und überschreitet bald den Referenzwert Rt und erreicht den Realwert R1w (T1), wie dies in 6 dargestellt ist.
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Im oben beschriebenen Schritt S310 wird die Temperatur der Brennstoffzelle als ein Parameter für die Bestimmung des Eintretens oder Nichteintretens der Ereignisreihe überwacht.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die oben beschriebene Fehlerkennung auch dann verhindert werden, wenn für die Trockenheitserkennung ein Kurzverfahren eingesetzt wird. Das hier erwähnte Kurzverfahren betrifft hauptsächlich die folgenden drei Punkte: (a) Anwenden einer relativ kleinen Frequenz f in der Messung nach dem Wechselstromverfahren, (b) Festeinstellen der Frequenz f auf einen einzelnen Wert, (c) Ignorieren des imaginären Teils der gemessenen Impedanz und Erkennen der Trockenheit der Elektrolytmembran ausschließlich anhand des Realteils. Durch Verwenden eines solchen Kompaktverfahrens können die Herstellungskosten der Brennstoffzelle 10 reduziert werden, und auch die Verarbeitungslast der Steuervorrichtung 20 kann vermindert werden.
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Wenn also die oben beschriebenen Punkte (a), (b) und (c) gleichzeitig angewendet werden, lässt es sich schwer bestimmen, ob die Erhöhung des Realteils R1 auf die Erhöhung des Lösungswiderstands Ra oder die Erhöhung des Reaktionswiderstands Rb zurückzuführen ist. Infolge dessen bestand bei den herkömmlichen Verfahren das Risiko von Fehlerkennungen.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird somit eine Fehlerkennung vermieden, indem die Trockenheitserkennung unterbrochen wird, wenn die Wahrscheinlichkeit hoch ist, dass die Erhöhung des Realteils R1 auf die Erhöhung des Reaktionswiderstands Rb zurückgeht. Trotz einer solchen Unterbrechung der Erkennung ist außerdem auch die Wahrscheinlichkeit gering, dass dadurch die Trockenheit der Elektrolytmembran übersehen wird. Das liegt daran, dass die Bedingung für eine Unterbrechung der Erkennung mit dem Ziel der Verhinderung einer Fehlerkennung (die Kühlmediumtemperatur muss kleiner als die vorherbestimmte Temperatur T sein) gleichzeitig auch die Bedingung dafür ist, dass die Elektrolytmembran mit hoher Wahrscheinlichkeit nass ist.
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Hinzu kommt, dass das Vorliegen des Betriebszustandes, in dem die Wahrscheinlichkeit hoch ist, dass die Erhöhung des Realteils R1 von der Erhöhung des Reaktionswiderstands Rb ausgeht, ausschließlich anhand der Kühlmediumtemperatur bestimmt wird (Schritt S310), und dass deshalb das Beurteilungsergebnis stabil ist.
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Die Messung der Kühlmediumtemperatur spricht zudem besser an als die Impedanzmessung und wird als Parameter für die Unterbrechung der Impedanzmessung bevorzugt.
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Da auf Schritt S330 unabhängig davon, ob die Kühlmediumtemperatur nun gleich oder größer als die vorherbestimmte Temperatur T oder aber kleiner als die vorherbestimmte Temperatur ist, die gleichen Schritte folgen, kann die vorliegende Erfindung außerdem über eine einfache Ausgestaltung realisiert werden.
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Nunmehr wird eine zweite Ausführungsform beschrieben. Während die zweite Ausführungsform die gleiche Hardware-Ausgestaltung wie die erste Ausführungsform aufweist, weicht der Trockenheitssteuerprozess etwas ab.
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7 ist ein Flussdiagramm, das einen Trockenheitssteuerprozess gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt. Der Trockenheitssteuerprozess gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst Schritt S335 an Stelle des in der ersten Ausführungsform enthaltenen Schrittes S325. Die anderen Schritte sind mit der ersten Ausführungsform identisch.
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Schritt S335 wird ausgeführt, wenn in Schritt S310 auf NEIN erkannt wird. Ist die Kühlmediumtemperatur kleiner als die vorherbestimmte Temperatur T (Schritt S310, NEIN), wird insbesondere bestimmt, ob der nächstliegende gemessene Realteil R1 gleich oder größer als der Referenzwert Rt ist (Schritt S335). Falls der nächstliegende gemessene Realteil R1 gleich dem oder größer als der Referenzwert Rt ist (Schritt S335, JA), wird der Trockenheitssteuerprozess beendet, nachdem das Erfassungsgerät 25 den Trockenheitsgrad als trockenen Zustand erfasst (Schritt S340), und das Steuergerät 22 führt eine Befeuchtungssteuerung aus (Schritt S350).
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Ist hingegen der nächstgemessene Realteil R1 kleiner als der Referenzwert Rt (Schritt S335, NEIN), wird der Trockenheitssteuerprozess beendet, nachdem das Erfassungsgerät 25 den Trockenheitsgrad als nassen Zustand erfasst (Schritt S360), und das Steuergerät 22 führt keine Befeuchtungssteuerung aus.
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Gemäß der zweiten Ausführungsform kann bei niedriger Kühlmediumtemperatur, statt auf ein gleichmäßiges Vorliegen des nassen Zustands zu schließen, die Beurteilung anhand der nächstliegenden Messung vorgenommen werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in der BESCHREIBUNG dargelegten Ausführungsformen, Beispiele und Abwandlungen beschränkt und kann in verschiedenen Ausgestaltungen realisiert werden, solange der Umfang der Erfindung nicht verloren geht. Beispielsweise können die in den Ausführungsformen, Beispielen und Abwandlungen beschriebenen technischen Eigenschaften, die den technischen Eigenschaften in jeder in der KURZFASSUNG beschriebenen Form entsprechen, auf geeignete Weise ersetzt oder kombiniert werden, um einige oder alle oben beschriebenen Probleme zu lösen oder um einige oder alle oben beschriebenen Wirkungen zu realisieren. Sofern die technischen Eigenschaften in der BESCHREIBUNG nicht als zwingend beschrieben werden, können sie entsprechend ausgelassen werden. Als Beispiel wird Folgendes veranschaulicht.
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Falls die Kühlmediumtemperatur gleich oder größer als die vorherbestimmte Temperatur ist, kann angenommen werden, dass die Elektrolytmembran nass ist. Das heißt, wenn die Kühlmediumtemperatur gleich oder größer als die vorherbestimmte Temperatur ist, müssen die anderen Schritte (zum Beispiel Schritt S335) nicht ausgeführt werden.
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Selbst wenn die Temperatur der Brennstoffzelle kleiner als die vorherbestimmte Temperatur ist, kann der Realteil gemessen werden, solange die Befeuchtung unterbunden wird.
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Statt der Temperatur kann auch ein anderer Parameter als Bedingung für die Unterbrechung der Trockenheitserkennung der Elektrolytmembran (Bedingung für das Erkennen des Vorliegens des zweiten Betriebszustands) verwendet werden. Beispielsweise kann die Wasserbilanz, der Gasdiffusionswiderstand, der Kondenswassergehalt, das stöchiometrische Verhältnis des Anodengases bzw. Kathodengases oder der imaginäre Teil der Impedanz gemessen und die Trockenheitserkennung der Elektrolytmembran bei tendenziell eintretender Fehlerkennungsbedingung beendet werden, oder es kann auch eine einzelne oder eine Kombination dieser Bedingungen verwendet werden. Falls Bedingungen miteinander kombiniert werden, kann die AND-Bedingung oder OR-Bedingung auf geeignete Weise verwendet werden. Die Messung der Wasserbilanz und die Messung des Kondensfeuchtigkeitsgehalts können dadurch erfolgen, dass beispielsweise die in der Brennstoffzelle erzeugte Wassermenge, die aus der Brennstoffzelle ausströmende Wassermenge, die in die Brennstoffzelle einströmende Wassermenge und die Temperatur der Brennstoffzelle gemessen werden.
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Der zweite Betriebszustand kann als ein Betriebszustand mit hoher Wasserbilanz betrachtet werden, oder als ein Betriebszustand, in dem die Temperatur der Brennstoffzelle höher ist als eine vorherbestimmte Temperatur, oder als ein Betriebszustand, in dem der Gasdiffusionswiderstand hoch ist, oder auch, als ein Betriebszustand, in dem der Kondensfeuchtigkeitsgehalt hoch ist.
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Der Trockenheitssteuerprozess kann auch unmittelbar nach Unterbrechung der Trockenheitserkennung der Elektrolytmembran beendet werden. Das heißt, wenn in Schritt S310 der ersten Ausführungsform auf NEIN erkannt wird, muss der Realteil der Impedanz nicht als ein vorherbestimmter Wert betrachtet werden, und es kann das gleiche Ergebnis wie in der ersten Ausführungsform erzielt werden, sofern die Befeuchtungssteuerung unterbrochen wird.
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Wenn ein Befeuchter zur Befeuchtung des Kathodengases vorgesehen ist, kann die oben beschriebene Befeuchtungssteuerung durch den Befeuchter erfolgen.
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Die für die Impedanzmessung verwendete Frequenz muss nicht zwingend einen festen Wert betragen. Das heißt, für eine einzelne Messung kann eine einzelne Frequenz verwendet werden und es kann jedes Mal, wenn eine Messung erfolgt, eine andere Frequenz eingesetzt werden. Alternativ lassen sich verschiedene Frequenzen für die Messung verwenden.
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Die Brennstoffzelle, für die Messungen ausgeführt werden, muss nicht zwangsläufig für Personenkraftfahrzeuge verwendet werden und kann an anderen Transport- und Verkehrseinrichtungen montiert sein (wie Fahrrädern oder Eisenbahnzügen) oder am Fußboden installiert sein.
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In der oben beschriebenen Ausführungsform können wenigstens einige der softwareseitig implementierten Funktionen und Prozesse durch Hardware realisiert werden. Auch können wenigstens einige der hardwareseitig realisierten Funktionen und Prozesse durch Software implementiert werden. Als Hardware können verschiedene Arten von Schaltungen verwendet werden, wie eine integrierte Schaltung, eine diskrete Schaltung oder ein Schaltungsmodul, das eine Kombination dieser Schaltungen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2014-232248 [0001]
- JP 2009-231225 [0003]