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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, zugehörige Betriebsverfahren
und Strommeßvorrichtungen
zum Gebrauch in Brennstoffzellensystemen und insbesondere ein Brennstoffzellensystem,
ein zugehöriges
Verfahren und eine Strommeßvorrichtung
zum Gebrauch im Brennstoffzellensystem.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Es
wurde bisher eine beträchtliche
Forschungs- und Entwicklungsarbeit aufgewandt, um Brennstoffzellensysteme
zu schaffen, die Brennstoffzellen benutzen, die als Erzeuger elektrischer
Energie zur Bewegung von Objekten, wie etwa Fahrzeugen, Schiffen,
tragbaren elektrischen Kraftquellen und elektrischen Kraftquellen
für den
häuslichen
Gebrauch usw. dienen.
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Bei
dem Stand der Technik angehörenden Brennstoffzellen,
die elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen
Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen, treten während des Betriebs der Brennstoffzellen
verschiedene Störungen auf.
Wenn beispielsweise in der Brennstoffzelle ein Mangel an Feuchtigkeit
auftritt, trocknet eine Elektrolytmembran aus, was ein Absinken
der Energieabgabe verursacht. Falls sich dazu im Gegensatz im Inneren
der Brennstoffzelle im Übermaß Flüssigkeitströpfchen ansammeln,
werden Elektroden der Brennstoffzelle mit Wasser bedeckt, was das
Durchdringen der Gase beeinträchtigt
und zu einem Absinken der Ausgangsleistung führt. Es ergibt sich deshalb
die Notwendigkeit, eine Trocknungscharakteristik der Elektrolytmembran
und eine Benetzungscharakteristik der Elektrode zu diagnostizieren,
um in geeigneter Weise die Wasseransammlungsbedingungen und die
Feuchtigkeitsbedingungen innerhalb der Brennstoffzelle zu steuern.
Ein weiterer Punkt betrifft die Verknappung der der Brennstoffzelle
zuzuführenden Reaktionsgase
mit einem resultierenden Absinken der Ausgangsleistung. Es besteht
deshalb ein Bedürfnis,
eine Verknappung der Reaktionsgase festzustellen, um den Zustrom
der Reaktionsgase in geeigneter Weise steuern zu können.
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Um
die vorgenannten Probleme zu bewältigen,
wurden verschiedene Vorschläge
gemacht, um Technologien zur Verfügung zu stellen, die das Auftreten
eines Spannungsabfalls an der Zelle feststellen, um fehlerhafte
Bedingungen zu diagnostizieren und dadurch einen Betriebszustand
der Brennstoffzelle aufzuzeigen.
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Die
japanische provisorische Patentveröffentlichung Nr. 9-259913 offenbart
eine Technologie zur Erkennung eines Mangels an Reaktionsgasen in Abhängigkeit
von einem Stromverteilungsmuster des elektrischen Stroms der Brennstoffzelle
zur Steuerung des Zuflusses der Reaktionsgase oder des Laststroms
zur Verhinderung einer Beschädigung
der Brennstoffzelle.
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Mit
einer solchen Technologie zur Ermittlung fehlerhafter Bedingungen
der Brennstoffzelle in Abhängigkeit
von einem Abfall der Zellenspannung tritt die Schwierigkeit auf,
die individuellen Faktoren für das
Absinken der Ausgangsleistung zu bestimmen, weil die Zellenspannung
bei jedem der Gründe
absinken kann, die durch das Austrocknen der Elektrolytmembran,
Reaktionsstörungen
als Ergebnis übermäßiger Wasseransammlung
in der Zelle und Verknappung der Versorgung mit Reaktionsgasen gegeben sind.
Es ergibt sich somit die Schwierigkeit, die Brennstoffzelle in geeigneter
Weise in Abhängigkeit von
der individuellen Ursache des Leistungsabfalls zu steuern.
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Zwischenzeitlich
hat man mit der oben genannten Diagnosetechnologie eine Diagnose
allein auf der Basis einer Verknappung der Reaktionsgase durchgeführt und
somit wird es unmöglich,
andere spezifische Faktoren für
den Leistungsabfall zutreffend festzustellen. Es ist somit schwer,
außer
den Durchflüssen
der der Brennstoffzelle zuzuführenden Reaktionsgase
auch das Auftreten einer übermäßigen Wasseransammlung
und das Auftreten eines ausgetrockneten Zustands der Elektrolytmembran festzustellen.
Es treten deshalb ernsthafte Probleme bei der zuverlässigen Überwachung
der Brennstoffzelle hinsichtlich der individuellen Faktoren auf,
die ein Absinken der Leistungsabgabe verursacht haben könnten.
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Weiterhin
sind während
der Aufwärmphase unmittelbar
nach dem Start der Brennstoffzelle die Drücke des Brenngases und der
Luft, die der Brennstoffzelle zugeführt werden sollen, nicht ausreichend und
die Reaktionstemperatur des Brennstoffzellenkörpers ist noch nicht ausreichend
angestiegen. Somit erreicht die Fähigkeit der Brennstoffzelle,
elektrische Leistung abzugeben, nicht den Nennwert der elektrischen
Belastungsfähigkeit
und die Brennstoffzelle verbleibt hinsichtlich der Erzeugung elek trischer Energie
in einem niedrigen Leistungsbereich. Wenn in diesem Zustand der
Versuch unternommen wird, der Brennstoffzelle elektrische Energie
zu entnehmen, die die Belastungsfähigkeit übersteigt, tritt ein rascher
Spannungsabfall an der Brennstoffzelle auf, der eine Verschlechterung
der Funktion der Brennstoffzelle verursacht.
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Das
U.S Patent Nr. 5,646,852 (ausgegeben an Lorenz et a1) offenbart
ein Brennstoffzellensystem, bei welchem eine obere Grenze der zu
erzeugenden Leistung in Abhängigkeit
von einer Temperatur der Brennstoffzelle beschränkt ist, um zu verhindern,
daß eine
größere Leistungsanforderung
gestellt wird, als es der verfügbaren
Leistungsabgabe entspricht.
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Weil
bei einer solchen Betriebsweise die Brennstoffzelle die Form einer
Konstruktion annimmt, bei der die Leistungsabgabe entsprechend der
Temperatur der Brennstoffzelle beschränkt ist, muß beim Betrieb der Brennstoffzelle
mit niedriger Temperatur damit gerechnet werden, daß die durch
die Brennstoffzelle erzeugte, verfügbare Leistungsabgabe auf ein
niedrigeres Niveau beschränkt
ist, als es bei einer normalen Betriebsweise zur Verfügung steht,
und daß deshalb
die Wärmeentwicklung
in der Brennstoffzelle ebenso beschränkt ist, was eine Zunahme der
Aufwärmzeit
der Brennstoffzelle verursacht. Zudem muß in Fällen, in denen die Leistungsabgabe der
Brennstoffzelle in Abhängigkeit
von der Temperatur der Brennstoffzelle gesteuert wird, mit der Wahrscheinlichkeit
gerechnet werden, daß die
Leistungsabgabe temperaturabhängig
in einem größeren Ausmaß gesteuert
wird, als es erforderlich ist.
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Die
japanische provisorische Patentveröffentlichung Nr. 2002-343397
offenbart ein Brennstoffzellensystem, das so angeordnet ist, daß es eine Steuerung
zur Veränderung
der Durchflüsse
und der Drücke
der Reaktionsgase in Übereinstimmung
mit Unregelmäßigkeiten
des Spannungsausgangs von eine Brennstoffzelle bildenden Zelleneinheiten
(unit cells) durchführt.
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Bei
einem solchen Steuerungsverfahren wird eine Gesamtspannung der Zelleneinheiten überwacht,
wenn Unregelmäßigkeiten
der Zellenspannungen festgestellt werden. Unter einer solchen Bedingung
wird die fehlerhafte Zelleneinheit vollständig einer abnormalen Bedingung
unterzogen, falls ein Spannungsabfall an einer fehlerhaften Zelleneinheit auftritt
und Unregelmäßigkeiten
der Zellenspannungen verursacht. Aus diesem Grund wird, selbst wenn der
Versuch unternommen wird, die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle
nach dem Auftreten von Unregelmäßigkeiten
bei den Zellenspannungen wiederherzustellen, eine Erholungszeit
verlängert
oder es kann keine Erholung stattfin den. Falls keine Erholung der
Brennstoffzelle erreicht werden kann, tritt ein Problem auf, dergestalt,
daß ein
durch eine Brennstoffzelle angetriebenes Fahrzeug auf der Straße zum Stillstand
kommt.
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Außerdem,
falls Wasser während
des Stillstands im Inneren der Brennstoffzelle verbleibt, kann das
Wasser in der Brennstoffzelle bei niedrigen Umgebungstemperaturen
gefrieren. Wird die Brennstoffzelle unter solchen niedrigen Temperaturbedingungen
gestartet, findet wegen Verstopfungen in den Strömungskanälen des Reaktionsgases oder
wegen des Auftretens von Störungen
bei der Zulieferung der Reaktionsgase (Wasserstoff und Luft) zur
Elektrolytmembran in Gegenwart des zugeführten Reaktionsgases keine
elektrochemische Reaktion statt, so das eine Schwierigkeit beim
Starten der Brennstoffzelle auftritt.
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Um
auf dieses Problem einzugehen, schlägt die japanische provisorische
Patentveröffentlichung Nr.
2002-343397 ein Brennstoffzellensystem vor, bei welchem während des
Stopps der Brennstoffzelle während
einer gegebenen Zeitspanne der Brennstoffzelle Luft zugeführt wird,
um einem Luftstrom zu gestatten, eine Austreibungsaktion zur Entfernung von
Feuchtigkeit aus der Brennstoffzelle durchzuführen.
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Bei
einem solchen Brennstoffzellensystem wird, weil die Zeitspanne für die Zufuhr
von Austreibungsluft vorher festgelegt ist, die Austreibungsaktion
während
einer gewissen Zeitspanne durchgeführt ohne Rücksicht darauf, ob sich Feuchtigkeit
in der Brennstoffzelle befindet. Aus diesem Grund besteht die Möglichkeit,
daß, wenn
sich nur wenig Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle befindet, die
Luftaustreibungsaktion länger
durchgeführt
wird, als es erforderlich ist. In einer solchen Situation kann eine
Verknappung des Feuchtigkeitsgehalts eintreten, die ein Austrocknen
der Elektrolytmembran verursacht, was die Befürchtung zur Folge hat, daß während des
Wiederstarts der Brennstoffzelle ein Leistungsabfall auftritt.
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Im
Gegensatz dazu, wenn zu viel Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle
verbleibt, tritt die Möglichkeit
ein, daß nach
Beendigung der Austreibungsaktion keine ausreichende Entfernung
der Feuchtigkeit aus der Brennstoffzelle stattgefunden hat. In einer solchen
Situation verbleibt überschüssige Feuchtigkeit
in der Brennstoffzelle, wodurch Befürchtungen veranlaßt werden,
daß die
Reaktionsgase nicht durchdringen können, während der Feuchtigkeitsgehalt
bei niedrigen Umgebungstemperaturen gefriert.
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Wie
oben geschildert, trocknet die Elektrolytmembran aus, wenn die Brennstoffzelle
an einem Mangel an Feuchtigkeit leidet, wodurch der innere Widerstand
zunimmt und demzufolge die Leistungsabgabe sinkt.
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Im
Gegensatz dazu, wenn die Brennstoffzelle einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt aufweist, sind
die Katalysatoren der Elektrode mit Wasser bedeckt, was Störungen bei
der Diffusion der Reaktionsgase verursacht. Es besteht deshalb die
Notwendigkeit, Luft mit einem größeren Durchfluß zuzuführen, als
dies für
die beim normalen Betrieb zugeführte Luft
erforderlich ist, um das Wasser aus der Brennstoffzelle zu drücken, oder
Wasserstoff nach der Außenseite
des Systems auszublasen, um dadurch das Wasser auszutreiben. Dies
hat einen erhöhten
Energieverbrauch zur Folge und eine Extramenge Wasserstoff wird
verlustvoll nach der Außenseite
des Systems entleert, wodurch der Wirkungsgrad verschlechtert wird.
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Um
die Brennstoffzelle mit hohem Wirkungsgrad zu betreiben, besteht
die Notwendigkeit, ein Steuerungsverfahren vorzusehen, das sowohl
eine Verknappung des Feuchtigkeitsgehalts als auch das Auftreten
eines Übermaßes an Feuchtigkeit
ausschließt.
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Zu
diesem Zweck schlägt
die japanische provisorische Patentveröffentlichung Nr. 202-164069
ein Brennstoffzellensystem vor, bei welchem der Befeuchtungszustand
einer Elektrolytmembran festgestellt wird, worauf, wenn der Befeuchtungszustand als
unzureichend festgestellt wird, eine Kühlwassertemperatur gesenkt
wird, um die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle zu verringern
und dadurch die relative Feuchtigkeit anzuheben, um die Befeuchtung der
Elektrolytmembran zu erleichtern.
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Obwohl
bei einem solchen Brennstoffzellensystem nur das Auftreten eines
Wassermangels ermittelt wird, um die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle
abzusenken, tritt innerhalb der Brennstoffzelle eine übermäßige Feuchtigkeit
auf, falls die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle auf ein übermäßig niedriges
Niveau abgeregelt wird. In diesem Zusammenhang erfolgt in der genannten
Patentliteratur kein Vorschlag über
eine Verfahrensweise zur Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts in der
Brennstoffzelle in einem genauen Verhältnis zum Auftreten einer Temperaturabsenkung
in der Brennstoffzelle.
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Weiterhin
wurden bei dem Brennstoffzellensystem nach dem Stand der Technik
bisher Vorschläge
unterbreitet, die ein Kreislaufsystem anwenden, in dem von der Reaktion
nicht erfaßter
Wasserstoff (von der Reaktion nicht erfaßtes Reaktionsgas) durch einen
Wasserstoffkreislaufkanal zur Wiederverwendung zu einem Brennstoffversorgungskanal
zirkuliert. Eine andere Technologie besteht darin, nicht der Reaktion
unterworfenen Wasserstoff durch einen Wasserstoffauslaßkanal zur
Außenseite
des Systems auszublasen.
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Bei
jedem der vorstehend geschilderten Systeme dringen, wenn die Brennstoffzelle
veranlaßt
ist, unter einem Zustand zu arbeiten, bei dem der Wasserstoffkreislaufkanal
oder der Wasserstoffauslaßkanal
geschlossen oder nahezu geschlossen sind, Stickstoff und Dampf durch
eine positive Elektrode (Oxidant-Elektrode) und verursachen eine
beachtliche Verringerung der Wasserstoffkonzentration insbesondere
in einem dem Wasserstoffauslaßabschnitt eng
benachbarten Bereich. Dies geschieht, weil das sich ergebende Durchdringen
von Stickstoff und Dampf durch die Elektrode die Strömung des
Wasserstoffs stört.
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Falls
die Brennstoffzelle unter diesem Zustand ihren Betrieb fortsetzt,
bei welchem der Wasserstoff nicht ausreichend zum Wasserstoffauslaßabschnitt
der Zelleneinheit diffundiert, tritt ein Abfall der Zellenspannung
auf, nicht nur mit einem resultierenden Leistungsabfall, sondern
auch mit einer resultierenden Verschlechterung der Elektrode in
einem Bereich, in dem der Wasserstoffmangel stattfindet. Einem solchen
Problem kann man begegnen durch eine Erhöhung des Durchflusses bei der
Wasserstoffversorgung oder durch periodischen Ausstoß von Wasserstoff
zur Außenseite
des Systems. Blindlings Wasserstoff zur Außenseite des Systems auszustoßen führt nicht
nur zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades, sondern auch zu
einer Verschlechterung der Sicherheit. Es besteht deshalb Bedarf
an einem Steuerverfahren, das den Anforderungen gerecht wird sowohl
hinsichtlich der Aufrechterhaltung der Wasserstoffkonzentration
im Wasserstoffauslaßbereich
der Zelleneinheit auf einem einen unteren Grenzwert nicht unterschreitenden
Niveau als auch zu Reduzierung des Durchflusses des auszustoßenden Wasserstoffs.
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Zu
diesem Zweck schlägt
die japanische provisorische Patentveröffentlichung Nr. 2000-243417 ein
Brennstoffzellensystem vor, bei welchem die Wasserstoffkonzentration
in einem Wasserstoffzirkulationskanal durch einen Wasserstoffkonzentrationssensor
ermittelt wird, wodurch, wenn die Wasserstoffkonzentration im Wasserstoffzirkulationskanal abnimmt,
Wasserstoff in die Atmosphäre
abgelassen wird.
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Bei
einem solchen Brennstoffzellensystem besteht die Notwendigkeit,
das Gas in ausreichenden Kontakt mit dem Wasserstoffkonzentrationssensor zu
bringen und den Durchfluß des
zu zirkulierenden Wasserstoffs in einem gewissen Ausmaß sicherzustellen,
was eine Zunahme der Last einer Pumpe zur Zirkulation des Wasserstoffgases
verursacht.
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Außerdem tritt
in dem System ohne Zirkulation so gut wie keine Zirkulation des
Wasserstoffs auf und es ist schwierig, die Wasserstoffkonzentration korrekt
zu messen. Wenn beim System ohne Zirkulation Wasserstoff mit erhöhten Frequenzen
zur Außenseite
ausgestoßen
wird, um eine korrekte Messung der Wasserstoffkonzentration zu ermöglichen, tritt
ein anderes Problem auf, wenn der Durchfluß des zur Außenseite
des Systems auszustoßenden
Wasserstoffs zunimmt.
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Wie
bereits oben angemerkt, wird außerdem zur
präzisen
Steuerung der Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle in Abhängigkeit
von individuellen Faktoren, die sich auf individuelle Betriebscharakteristika
der Brennstoffzelle beziehen, eine Ausgangsspannung der die Brennstoffzelle
bildenden Zelleneinheit gemessen und entsprechend den sich ergebenden
Meßwerten
wird während
des Betriebs der Brennstoffzelle das Auftreten eines Fehlers in
der Brennstoffzelle ermittelt. Es ist auch eine übliche Praxis, die elektrischen
Strom-Spannungs-Charakteristika der Brennstoffzelle zu beobachten.
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Jedoch
schließen
während
des Betriebs der Brennstoffzelle auftretende abnormale Erscheinungen
einen Mangel an zuzuführendem
Sauerstoff, einen Mangel an zuzuführendem Wasserstoff und eine Zunahme
des Innenwiderstands der Elektrolytmembran ein, und diese Fehler äußern sich
in Form eines Spannungsabfalls an der Zelleneinheit. Als Konsequenz
macht es das bloße
Messen der Spannung der Zelleneinheit schwierig, die während des
Betriebs der Brennstoffzelle auftretenden abnormalen Erscheinungen
zu spezifizieren, die bei der Durchführung eines zuverlässigen Betriebs
eine Schwierigkeit verursachen, das Problem einem bestimmten Faktor zuzuweisen.
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Weiterhin
nehmen im Fall einer Zunahme von Unregelmäßigkeiten der Qualität bearbeiteter Flächen der
Zelleneinheit Unregelmäßigkeiten
des Kontaktswiderstands der bearbeiteten Flächen der Zelleneinheit zu,
was eine Zunahme von Unregelmäßigkeiten
der Stromdichte zur Folge hat. Die Zelleneinheit mit einer solchen
Zunahme der Bearbeitungsqualität
ist einem Problem unterworfen, wenn der elektrische Strom dazu neigt,
kollektiv durch einen Teilbereich zu fließen, was zu einer Verschlechterung der
Zellen einheit bei erhöhten
Geschwindigkeiten im Vergleich mit Zelleneinheiten führt, die
mit geeigneter Qualität
bearbeitet sind. Falls der Stapel der Zelleneinheiten teilweise
eine schadhafte Zelleneinheit mit erhöhten Unregelmäßigkeiten
der Bearbeitungsqualität
enthält,
fällt diese
Zelleneinheit zu einem fiühen Zeitpunkt
aus, und selbst wenn die anderen, nicht schadhaften Zelleneinheiten
normal arbeiten, fällt
der Batteriestapel aus. Falls die Brennstoffzelle aus einem Batteriestapel
mit nicht schadhaften Zelleneinheiten besteht, weil die schadhaften
Zelleneinheiten mit erhöhten
Unregelmäßigkeiten
bei der Bearbeitungsqualität
vorab ausgeschieden wurden, ist der Batteriestapel in der Lage,
eine hohe Lebensdauer zu erreichen. Jedoch besteht bei der Überprüfung der elektrischen
Strom-Spannungs-Charakteristika auf einer Fertigungsstufe eine Schwierigkeit
darin, herauszufinden, ob die gestapelten Zelleneinheiten teilweise
eine schadhafte Zelleneinheit mit einer erhöhten Unregelmäßigkeit
der Bearbeitungsqualität
enthalten.
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Zusätzlich entsteht
ein weiteres Problem durch die Schwierigkeit, die abnormalen Erscheinungen
der elektrischen Energieeinheit (power unit), wie der Luftbatterie
(air battery), der Sekundärbatterie und
der Kondensatoren, usw., die jeweils Zelleneinheiten zur Erzeugung
elektrischer Energie enthalten, während des Betriebs zu spezifizieren
oder die schadhaften Zelleneinheiten auf der Fertigungsstufe zu
entdecken.
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Die
veröffentlichte
US-Patentanmeldung Nr. 2004/95127A1 offenbart eine Stromdichte-Meßvorrichtung,
die so ausgebildet ist, daß sie
Stromdichten an der Elektrode einer Brennstoffzelle ermittelt. Die Stromdichte-Meßvorrichtung
schließt
eine Sensorlagerplatine ein, die eine große Zahl von Hall-Elementen
trägt,
die an Positionen vorgesehen sind, die mit Meßpunkten auf der Elektrodenoberfläche übereinstimmen.
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Mit
einer solchen Konstruktion ist die Stromdichte-Meßvorrichtung
komplex aufgebaut und aufwendig herzustellen. Ein anderes großes Problem entsteht
durch die Schwierigkeit, individuelle Betriebscharakteristika in
bezug auf verschiedene Bereiche der Elektrolytmembran oder der Elektrode
der elektrischen Energieeinheit zu messen, um einen besonderen Betriebsfaktor
zu spezifizieren zum Diagnostizieren individueller, in der elektrischen
Energieeinheit auftretender Fehler. Falls die eine solche Stromdichte-Meßvorrichtung
tragende Brennstoffzelle in der Nähe anderer elektrischer Energieeinheiten,
wie einem Wechselrichter, und einem Elektromotor angeordnet ist,
leidet die Stromdichte-Meßvorrichtung
unter Störungen
der Magnetfelder, die durch den Wechselrichter und den Elektromotor
erzeugt werden, was zur einer Reduzierung der Zuverlässigkeit
der Stromdichtemessung führt.
Beim oben genannten Stand der Technik wird keine Maßnahme ergriffen,
die der magnetischen Störungen
Rechnung trägt,
was zu Schwierigkeiten bei der Verbesserung der Zuverlässigkeit
des Betriebes führt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde vollendet angesichts des Vorstehenden
und hat zur Aufgabe die Schaffung eines Brennstoffzellensystems,
eines zugehörigen
Verfahrens und einer Strommeßvorrichtung
zum Gebrauch in einem Brennstoffzellensystem, die fähig sind,
verschiedene Probleme zu überwinden,
die beim Stand der Technik angetroffen wurden, und das Brennstoffzellensystem
und die Strommeßvorrichtung
in einer in hohem Maße
zuverlässigen
Weise zu betreiben, auf der Basis individuell lokalisierter, durch
die Strommeßvorrichtung
gemessener Ströme.
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Ein
erster Aspekt der Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem,
das eine Brennstoffzelle umfaßt,
die betrieben wird, um eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases
mit einem Brenngas zur Erzeugung elektrischer Energie durchzuführen und
die einen gegebenen lokalen Bereich aufweist. Eine Strommeßvorrichtung
ist dem lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet, um den lokalisierten Strom
der Brennstoffzelle zu messen, sowie eine Diagnosevorrichtung zur
Diagnostizierung des Betriebszustandes der Brennstoffzelle anhand
des durch die Strommeßvorrichtung
gemessenen, lokalisierten Stroms.
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Durch
eine solche Anordnung kann eine besondere Betriebscharakteristik
der Brennstoffzelle spezifiziert werden, die es der Diagnosevorrichtung erlaubt,
den Betriebszustand der Brennstoffzelle in einer hoch zuverlässigen Weise
zu ermitteln. Das versetzt die Brennstoffzelle in die Lage, unter
einem optimalen Betriebszustand gesteuert zu werden, was zu einer
in hohem Maße
gesteigerten Wirkungsweise der Brennstoffzelle führt.
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Nach
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Diagnoseverfahren
für den Betriebszustand
einer Brennstoffzelle vorgesehen, das es umfaßt, daß die Brennstoffzelle eine
elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases mit einem Brenngas
zur Erzeugung elektrischer Energie durchführt und einem spezifizierten
lokalen Bereich der Zelleneinheit eine Strommeßvorrichtung zugeordnet ist,
die eine Betriebscharakteristik anzeigt. Der lokalisierte, durch
den lokalen Bereich der Brennstoffzelle fließende Strom wird gemessen und
ein Betriebszustand der Brennstoffzelle entsprechend dem den Betriebszustand
der Brennstoffzelle repräsentierenden lokalisierten
Strom wird diagnostiziert.
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Durch
ein solches Diagnoseverfahren kann eine besondere Betriebscharakteristik
der Brennstoffzelle spezifiziert werden und der Betriebszustand der
Brennstoffzelle kann in einer hoch zuverlässigen Weise diagnostiziert
werden. Das erlaubt es, die Brennstoffzelle unter einem optimalen
Betriebszustand zu steuern, was zu einer in hohem Maße gesteigerten
Betriebsweise der Brennstoffzelle führt.
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Nach
einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Diagnoseverfahren
für den
Betriebszustand einer Brennstoffzelle vorgeschlagen, das es umfaßt, daß die Brennstoffzelle
eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases mit einem Brenngas
zur Erzeugung elektrischer Energie durchführt und einem spezifizierten
lokalen Bereich der Zelleneinheit, der zum Trocknen neigt und für eine Trocknungscharakteristik
kennzeichnend ist, eine Strommeßvorrichtung
zugeordnet ist. Lokalisierter Strom, der einen lokalen Bereich der
Brennstoffzelle durchfließt,
wird gemessen und ein Betriebszustand der Brennstoffzelle diagnostiziert
entsprechend dem lokalisierten Strom, der für die Trocknungscharakteristik
kennzeichnend ist.
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Bei
einem solchen Diagnoseverfahren kann die Trocknungscharakteristik
der Brennstoffzelle richtig in einer in hohem Maße zuverlässigen Weise diagnostiziert
werden. Dies ermöglicht
es, die Brennstoffzelle so zu steuern, daß dem trockenen Zustand der
Brennstoffzelle in einer in hohem Maße verläßlichen Weise entgegengewirkt
wird und dadurch Schäden
von der Brennstoffzelle abgewandt werden und eine hohe Lebensdauer
ermöglicht
wird.
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Nach
einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Diagnostizieren eines Betriebszustands einer Brennstoffzelle
vorgeschlagen, das folgende Schritte umfaßt: Bereitstellen einer Brennstoffzelle,
die geeignet ist, eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases,
das einen hauptsächlichen
Anteil an Wasserstoff enthält,
und eines Brenngases durchzuführen,
um elektrische Energie zu erzeugen, Vorsehen einer Strommeßvorrichtung,
die einem lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet ist, der
dazu neigt, zu trocknen und für eine
Trocknungscharakteristik kennzeichnend ist. Ein lokalisierter Strom,
der den lokalen Bereich der Brennstoffzelle durchfließt, wird
gemessen und es wird diagnostiziert, daß die Brennstoffzelle sich
in einem trockenen Zustand befindet, wenn der für die Trocknungscharakteristik
kennzeichnende lokalisierte Strom geringer ist als ein gegebener
Stromwert.
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Bei
einem solchen Diagnoseverfahren kann die Trocknungscharakteristik
der Brennstoffzelle auf der Basis eines Vergleichs zwischen dem
lokalisierten Strom und dem gegebenen Stromwert richtig spezifiziert
werden und der trockene Zustand kann in hoch verläßlicher
Weise diagnostiziert werden, um dem trockenen Zustand der Brennstoffzelle
in einem in hohem Maße
verläßlichen
Weise entgegenzuwirken und dadurch Schäden von der Brennstoffzelle abzuwenden
und eine hohe Lebensdauer zu ermöglichen.
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Nach
einem fünften
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Diagnostizieren eine
Betriebszustands einer Brennstoffzelle geschaffen, das folgende
Schritte umfaßt:
Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, eine elektrochemische
Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, um
elektrische Energie zu erzeugen, Vorsehen einer Strommeßvorrichtung,
die einem spezifizierten lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet
ist, der dazu neigt, einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt
der Brennstoffzelle aufzuweisen. Durch den spezifizierten lokalen
Bereich der Brennstoffzelle fließender lokalisierter Strom
wird gemessen und ein übermäßiger Feuchtigkeitszustand der
spezifizierten Brennstoffzelle wird diagnostiziert entsprechend
dem durch den Strommeßschritt
gemessenen lokalisierten Strom.
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Bei
einem solchen Diagnoseverfahren kann der Feuchtigkeitszustand der
Brennstoffzelle entsprechend dem lokalisierten Strom in verläßlicher Weise
festgestellt werden. Das ermöglicht
eine derartige Steuerung der Brennstoffzelle, daß einem verstopften Zustand
der Brennstoffzelle in einer in hohem Maße verläßlichen Weise entgegengewirkt
wird, was einen in hohem Maße
zuverlässigen
Betrieb der Brennstoffzelle ermöglicht.
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Nach
einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Diagnoseverfahren
für den Betriebszustand
einer Brennstoffzelle vorgeschlagen, das die Schritte umfaßt: Bereitstellen
einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, eine elektrochemische Reaktion
eines Oxidantgases, das einen hauptsächlichen Anteil an Wasserstoff
enthält,
und eines Brenngases durchzuführen,
um elektrische Energie zu erzeugen, Vorsehen einer Strommeßvorrichtung, die
einem lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet ist, der dazu
neigt, zu trocknen und für
eine Benetzungscharakteristik kennzeichnend ist, wo Flüssigkeitströpfchen sich
leicht ansammeln. Durch den lokalen Bereich fließender lokalisierter Strom wird
gemessen und es wird diagnostiziert, daß, wenn der Wert des lokalisierten
Stroms geringer ist als ein gegebener Stromwert und eine Sinkgeschwindigkeit des
lokalisierten Stroms geringer ist als eine gegebene Sinkgeschwindigkeit,
sich die Flüssigkeitströpfchen in
der Brennstoffzelle angesammelt haben.
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Bei
einem solchen Diagnoseverfahren kann die Benetzungscharakteristik
der Brennstoffzelle richtig spezifiziert werden auf der Basis eines
Vergleichs zwischen dem lokalisierten Strom und dem gegebenen Stromwert,
und die Benetzungscharakteristik der Brennstoffzelle kann in einer
in hohem Maße
verläßlichen
Weise diagnostiziert werden. Das heißt, daß, wenn der Wert der des lokalisierten Stroms
geringer ist als der gegebene Stromwert und die Sinkgeschwindigkeit
des lokalisierten Stroms geringer ist als die gegebene Sinkgeschwindigkeit,
die Diagnose erfolgt, es möglich
ist, richtig herauszufinden, ob sich Flüssigkeitströpfchen in der Brennstoffzelle
angesammelt haben. Das bietet die Möglichkeit, die Brennstoffzelle
so zu steuern, daß einer
Verstopfung in hoch zuverlässiger
Weise entgegengewirkt wird.
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Nach
einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zur Diagnose des Betriebszustands einer Brennstoffzelle geschaffen,
das die folgenden Schritte umfaßt;
Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, eine elektrochemische
Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, Vorsehen
einer Strommeßvorrichtung,
die einem spezifizierten lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet
ist, der für
eine Brenngaskonzentrationscharakteristik kennzeichnend ist und der
dazu neigt, einen Mangel an Brenngas aufzuweisen. Der durch den
lokalen Bereich fließende
lokalisierte Strom wird gemessen und ein Mangel an Brenngas in der
Brennstoffzelle wird diagnostiziert entsprechend dem lokalisierten
Strom, der dem spezifizierten lokalen Bereich der Brennstoffzelle
zugeordnet ist.
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Bei
einem solchen Diagnoseverfahren kann die Verknappung des Brenngases
in der Brennstoffzelle richtig ermittelt werden entsprechend dem
lokalisierten Strom, der dem spezifizierten lokalen Bereich der
Brennstoffzelle zugeordnet ist. Das ermöglicht es, die Brennstoffzelle
so zu steuern, daß der Verknappung
des Brenngases in der Brennstoffzelle in einer in hohem Maße zuverlässigen Weise
entgegengewirkt wird, um den Durchfluß des Brenngases in einem optimalen
Bereich zu halten, wodurch die Betriebsdurchführung der Brennstoffzelle verbessert wird.
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Nach
einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zur Diagnose eines Betriebszustandes einer Brennstoffzelle vorgesehen, das
folgende Schritte umfaßt:
Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, eine elektrochemi sche
Reaktion eines Oxidantgases und eines Wasserstoff enthaltenden Brenngases
durchzuführen, um
elektrische Energie zu erzeugen, Vorsehen einer Strommeßvorrichtung,
die einem spezifizierten lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet
ist, der kennzeichnend ist für
eine Wasserstoffkonzentrationscharakteristik, und der zum Auftreten
eines Wasserstoffmangels neigt. Der durch den lokalen Bereich der
Brennstoffzelle fließende
lokalisierte Strom wird gemessen und es wird diagnostiziert, daß, wenn
der Wert des durch die Strommeßvorrichtung
gemessenen lokalisierten Stroms geringer ist als ein gegebener Stromwert
und eine Sinkgeschwindigkeit des lokalisierten Stroms geringer ist
als eine gegebene Sinkgeschwindigkeit, ein Wasserstoffmangel in
der Brennstoffzelle aufgetreten ist.
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Bei
einem solchen Diagnoseverfahren kann die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik
der Brennstoffzelle richtig ermittelt werden, um den in der Brennstoffzelle
auftretenden Mangel an Wasserstoff zu spezifizieren. Das heißt, daß, wenn
der Wert des durch die Strommeßvorrichtung
gemessenen lokalisierten Stroms geringer ist als ein gegebener Wert und
die Sinkgeschwindigkeit des lokalisierten Stroms eine gegebene Sinkgeschwindigkeit übersteigt,
die Diagnose erfolgt, daß in
der Brennstoffzelle ein Mangel an Wasserstoff aufgetreten ist, was
es ermöglicht, korrekt
herauszufinden, ob die Brennstoffzelle einen Mangel an Wasserstoff
in der Brennstoffzelle hat. Das ermöglicht eine solche Steuerung
der Brennstoffzelle, daß dem
Auftreten eines Wasserstoffmangels in der Brennstoffzelle in einer
in hohem Maße zuverlässigen Weise
entgegengewirkt wird, um die Wasserstoffkonzentration in einem optimalen
Bereich zu halten, was zu einer besseren Betriebsweise der Brennstoffzelle
führt.
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Nach
einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Diagnoseverfahren
für den Betriebszustand
einer Brennstoffzelle geschaffen, das die folgenden Schritte umfaßt: Bereitstellen
einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, eine elektrochemische Reaktion
eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen und Vorsehen einer Strommeßvorrichtung,
die einem lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet ist, in
dem ein die Neigung besteht, daß ein
Zustand übermäßiger Feuchtigkeit
und Ein Mangel an Brenngas auftritt. Der lokalisierte Strom im lokalisierten
Bereich wird gemessen, und das Auftreten eines Zustandes übermäßiger Feuchtigkeit
und das Auftreten eines Brenngasmangels werden diagnostiziert um
voneinander unterschieden werden zu können in Abhängigkeit von einer Sinkgeschwindigkeit
des lokalisierten, dem lokalisierten Bereich der Brennstoffzelle
zugeordneten Stroms.
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Bei
einem solchen Diagnoseverfahren kann das Auftreten eines Zustandes übermäßiger Feuchtigkeit
und das Auftreten eines Brenngasmangels in der Brennstoffzelle durch
eine Vergleichsmethode diagnostizier werden in Abhängigkeit
von der Stromsinkgeschwindigkeit des lokalisierten Stroms der Brennstoffzelle.
Das gibt die Möglichkeit,
die Brennstoffzelle derart zu steuern, daß einem Verstopfungszustand
und einem Brenngasmangel in der Brennstoffzelle in einer hoch verläßlichen
Weise entgegengewirkt wird, was eine verbesserte Betriebsweise der Brennstoffzelle
zur Folge hat.
-
Nach
einem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Diagnoseverfahren
für eine Brennstoffzelle
geschaffen, das folgende Schritte umfaßt: Bereitstellen einer Brennstoffzelle,
die geeignet ist, eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases
und eines Wasserstoff enthaltenden Brenngases durchzuführen, um
elektrische Energie zu erzeugen, Vorsehen einer Strommeßvorrichtung, die
einem lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet ist, der für eine Benetzungscharakteristik
und eine Wasserstoffkonzentrationscharakteristik kennzeichnend ist
und in dem sich leicht Wassertröpfchen ansammeln
und die Neigung zum Auftreten eines Wasserstoffmangels besteht.
Der für
die Benetzungscharakteristik und die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik
kennzeichnende lokalisierte Strom wird gemessen und es erfolgt die
Diagnose, daß, wenn
der Wert des durch die Strommeßvorrichtung gemessenen
lokalisierten Stroms geringer ist als der gegebene Stromwert und
eine Sinkgeschwindigkeit des lokalisierten Stroms geringer ist als
eine gegebene Sinkgeschwindigkeit, die Flüssigkeitströpfchen sich in der Brennstoffzelle
angesammelt haben, und daß,
wenn der Wert des lokalisierten Stroms geringer ist als der gegebene
Stromwert und die Sinkgeschwindigkeit des lokalisierten Stroms die
gegebene Sinkgeschwindigkeit übersteigt,
in der Brennstoffzelle ein Wasserstoffmangel aufgetreten ist.
-
Bei
einem solchen Diagnoseverfahren können die Benetzungscharakteristik
und die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik der Brennstoffzelle
ermittelt werden, um einen Verstopfungszustand und den Wasserstoffmangel
in der Brennstoffzelle korrekt zu spezifizieren. Das heißt, es erfolgt
die Diagnose, daß,
wenn der Wert des durch die Strommeßvorrichtung gemessenen lokalisierten
Stroms geringer ist als ein gegebener Stromwert und die Sinkgeschwindigkeit
des lokalisierten Stroms geringer ist als eine gegebene Sinkgeschwindigkeit,
sich die Flüssigkeitströpfchen in
der Brennstoffzelle angesammelt haben und daß, wenn der Wert des lokalisierten
Stroms geringer ist als der gegebene Stromwert und die Sinkgeschwindigkeit
des lokalisierten Stroms die gegebene Sinkgeschwindigkeit übersteigt,
Wasserstoffmangel in der Brennstoffzelle aufgetreten ist, was es
ermöglicht,
den Verstopfungszustand und das Auftreten eines Wasserstoff mangels
in der Brennstoffzelle richtig herauszufinden. Das ermöglicht es,
die Brennstoffzelle derart zu steuern, daß der Verstopfung und dem Wasserstoffmangel entgegengewirkt
wird, was eine verbesserte Wirkungsweise der Brennstoffzelle zur
Folge hat.
-
Nach
einem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zur Steuerung des Betriebszustands einer Brennstoffzelle geschaffen,
das folgende Schritte umfaßt:
Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, eine elektrochemische
Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, um
elektrische Energie zu erzeugen, Vorsehen einer Strommeßvorrichtung,
die einem lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet ist, der für eine Benetzungscharakteristik
kennzeichnend ist und wo sich leicht Flüssigkeitströpfchen ansammeln. Ein lokalisierter,
für die
Benetzungscharakteristik kennzeichnender Strom wird gemessen und
eine Aktion zur Begrenzung der Ausgangsleistung wird ausgeführt entsprechend
dem für
die Benetzungscharakteristik kennzeichnenden lokalisierten Strom,
um die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle zu begrenzen, wenn der
Wert des lokalisierten Stroms geringer ist als ein gegebener Strom
zur Einleitung der Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion.
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Bei
einem solchen Steuerverfahren kann die Benetzungscharakteristik
der Brennstoffzelle spezifiziert werden, um korrekt das Auftreten
einer Verstopfung in der Brennstoffzelle herauszufinden. Das gibt die
Möglichkeit,
das Auftreten von Defekten in der Brennstoffzelle in einem frühen Stadium
festzustellen. Auch kann die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion
in geeigneter Weise ausgeführt
werden, um eine Wiedererholung der Brennstoffzelle zum frühesten Zeitpunkt
zu ermöglichen,
was die Anwendung der Brennstoffzelle bei einem brennstoffzellengetriebenen
Fahrzeug als Kraftquelle ermöglicht,
die das Fahrzeug vor einem unerwünschten
Stillstand bewahrt.
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Nach
einem zwölften
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung
des Betriebszustands einer Brennstoffzelle geschaffen, das folgende
Schritte umfaßt;
Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, eine elektrochemische
Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, um
elektrische Energie zu erzeugen, Vorsehen einer Luftaustreibeinheit,
die geeignet ist, der Brennstoffzelle einen Strom von Reinigungsluft
zuzuführen,
um in der Brennstoffzelle angesammeltes Wasser auszutreiben, und
Vorsehen einer Strommeßvorrichtung,
die einem lokalen Bereich zugeordnet ist, der für eine Betriebscharakteristik
der Brennstoffzelle kennzeichnend ist. Der für die Betriebscharakteristik
kennzeichnende lokalisierte Strom wird gemessen und die Luftaustreibeinheit wird
aktiviert entsprechend dem lokalisierten Strom, derart, daß, wenn
der Betrieb der Brennstoffzelle unterbrochen wird, und wenn der
lokalisierte Strom einen gegebenen Wert übersteigt, eine Luftaustreibaktion
eingeleitet wird, um der Brennstoffzelle einen Strom an Reinigungsluft
zuzuführen.
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Bei
einem solchen Steuerverfahren wird der für den Betriebszustand der Brennstoffzelle
kennzeichnende lokalisierte Strom gemessen, um einen besonderen
Betriebszustands zu spezifizieren und die Luftaustreibaktion wird
auf der Basis des spezifizierten Betriebszustands der Brennstoffzelle
ausgeführt.
Das ermöglicht
es, die Luftaustreibaktion zu einem geeigneten Zeitpunkt auszuführen, und
den Feuchtigkeitsgehalt auf einem geeigneten Niveau zu halten, um
eine verbesserte Betriebsweise zu erreichen. Deshalb wird keine
exzessive Luftaustreibaktion durchgeführt und es wird dadurch ein
Austreibzeitintervall verkürzt;
während
eine Elektrolytmembran vor dem Austrocknen bewahrt wird.
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Nach
einem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zur Steuerung des Betriebszustands einer Brennstoffzelle geschaffen,
das folgenden Schritte umfaßt:
Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, eine elektrochemische
Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases durchzuführen, um
elektrische Energie zu erzeugen, Vorsehen einer Strommeßvorrichtung, die
einem lokalen Bereich zugeordnet ist, der für eine Betriebscharakteristik
der Brennstoffzelle kennzeichnend ist. Der für die Betriebscharakteristik
der Brennstoffzelle kennzeichnende lokalisierte Strom wird gemessen
und ein Betriebszustand der Brennstoffzelle wird entsprechend dem
lokalisierten, für
die Betriebscharakteristik kennzeichnenden Strom so gesteuert, daß dem lokalisierten
Strom gestattet ist, in einem gegebenen Bereich zu bleiben.
-
Durch
ein solches Steuerverfahren kann der lokalisierte Strom die Betriebsbedingung
der Brennstoffzelle spezifizieren und die Steuerung des lokalisierten
Stroms derart, daß er
in einem gegebenen Bereich liegt, resultiert in der Fähigkeit,
den Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle in zuverlässiger Weise
auf einem optimalen Niveau zu halten, aufgrund der Gegenwart einer
Beziehung zwischen dem lokalisierten Strom und einem Feuchtigkeitszustand (Feuchtigkeitsgehalt)
der Brennstoffzelle. Weil der lokalisierte Strom schnell auf Schwankungen
des Feuchtigkeitsgehalts anspricht, kann die Brennstoffzelle schnell
mit stark verbesserter Wirksamkeit gesteuert werden.
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Nach
einem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist ein Verfahren
zur Steuerung des Betriebszustands einer Brennstoffzelle vorgesehen,
das folgende Schritte umfaßt:
Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die geeignet ist, eine elektrochemische
Reaktion eines Oxidantgases und eines Wasserstoff enthaltenden Brenngases
durchzuführen, um
elektrische Energie zu erzeugen, Vorsehen einer Strommeßvorrichtung,
die einem spezifizierten lokalen Bereich der Brennstoffzelle zugeordnet
ist, der kennzeichnend ist für
eine Wasserstoffkonzentrationscharakteristik, und der zum Auftreten
eines Wasserstoffmangels neigt. Der für die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik
kennzeichnende lokalisierte Strom wird gemessen, und die Brennstoffzelle
wird in Abhängigkeit
von dem für
die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik kennzeichnenden lokalisierten Strom
gesteuert, um die Wasserstoffkonzentration in der Brennstoffzelle
zu erhöhen,
wenn der lokalisierte Strom geringer ist als ein gegebener Stromwert.
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Mit
einem solchen Steuerverfahren wird die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik
des lokalen Bereichs der Brennstoffzelle ermittelt, um eine Wasserstoffkonzentration
zu spezifizieren, die eine Wechselbeziehung zum lokalisierten Strom
aufweist. Damit kann durch Erhöhung
der Wasserstoffkonzentration der Brennstoffzelle, wenn der lokalisierte Strom
unter einem gegebenen Stromwert bleibt, auf den Wasserstoffmangel
in der Brennstoffzelle angesprochen werden, ohne eine Steigerung
des Durchflusses von nicht von der Reaktion erfaßtem, rückzuführendem Brenngas zu veranlassen,
oder eine Steigerung des Durchflusses von nicht der Reaktion unterworfenem
Brenngas, das aus dem System ausgestoßen werden soll. Dies schließt eine
Verschlechterung der Wirkungsweise und Sicherheit der Brennstoffzelle
aus.
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Gemäß einem
fünfzehnten
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Strommeßvorrichtung
zum Gebrauch in einem Brennstoffzellensystem vorgesehen, das geeignet
ist, eine elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases und eines
Brenngases zur Erzeugung elektrischer Energie durchzuführen, die
einen elektrischen Leiter umfaßt,
der in elektrischem Kontakt mit der Zelleneinheit gehalten wird,
um dem elektrischen Strom zu gestatten, von der Zelleneinheit in
den elektrischen Leiter zu fließen,
und der einen ausgenommenen Abschnitt aufweist. Ein Stromleiter
ist in dem ausgenommenen Abschnitt des elektrischen Leiters angeordnet
und geeignet, in elektrischem Kontakt mit einem lokalen Bereich
der Zelleneinheit gehalten zu werden, um lokalisiertem Strom zu
gestatten, vom lokalen Bereich in den Stromleiter zu fließen. Ein
Stromleiter ist vorgesehen zur Ermittlung des durch den Stromleiter
fließenden
lokalisierten Stroms.
-
Mit
einer solchen Bauform wird eine vereinfachte Strommeßvorrichtung
geschaffen, zum Messen des lokalisierten Stroms der elektrischen
Energieeinheit mit der Fähigkeit,
das Auftreten abnormaler Faktoren in der elektrischen Energieeinheit
zu spezifizieren. Auch wird es möglich,
eine beschädigte
Zelleneinheit der elektrischen Energieeinheit auf der Fertigungsstufe
zu erkennen, wodurch es möglich
wird, die beschädigte
Zelleneinheit zurückzuweisen
mit dem Ergebnis einer Qualitätssteigerung
der elektrischen Energieeinheit. Zusätzlich bringt die Messung des
elektrischen Stroms die Möglichkeit, Einflüsse zur
frühestmöglichen
Zeit festzustellen, weil Schwankungen des elektrischen Stroms in
bemerkbarer Weise in einem früheren
Stadium auftauchen als Spannungsschwankungen.
-
Gemäß einem
sechzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Strommeßvorrichtung vorgesehen,
für den
Gebrauch in einem Brennstoffzellensystem, das geeignet ist zur Durchführung einer
elektrochemischen Reaktion eines Oxidantgases und eines Brenngases
zur Erzeugung elektrischer Energie, mit einem ersten elektrischen
Leiter, der geeignet ist, in elektrischem Kontakt mit der Zelleneinheit
gehalten zu werden, um elektrischem Strom zu gestatten, von der
Zelleneinheit in den elektrischen Leiter zu fließen, und der einen ausgenommenen
Abschnitt besitzt. Ein säulenartiger
Abschnitt ist in dem ausgenommenen Abschnitt des ersten elektrischen Leiters
angeordnet und in elektrischem Kontakt mit einem lokalen Bereich
der Zelleneinheit gehalten, umlokalisiertem elektrischem Strom zu
gestatten, vom lokalen Bereich in den säulenartigen Abschnitt zu fließen. Ein
magnetischer Sensor ist im ausgenommenen Abschnitt angeordnet zur
Entdeckung eines Magnetfelds, das um den säulenartigen Abschnitt entsteht
durch den über
den säulenartigen Abschnitt
fließenden
lokalisierten Strom.
-
Bei
einer solchen Bauform kann der elektrische Strom des lokalen Bereichs
der elektrischen Energieeinheit in Abhängigkeit von der Größe des Magnetfelds
gemessen werden, weil der lokalisierte Strom durch den säulenartigen
Abschnitt fließt,
um ein Magnetfeld um den säulenartigen
Abschnitt zu erzeugen. Damit kann es durch die Benutzung der Strommeßvorrichtung
mit einer solchen Struktur möglich
werden, auftretende abnormale Faktoren beim Gebrauch der Brennstoffzelle
zu spezifizieren. Es wird auch möglich,
eine schadhafte Zelleneinheit der elektrischen Energieeinheit auf
einer Fertigungsstufe zu entdecken, was es ermöglicht, die schadhafte Zelleneinheit
zurückzuweisen,
mit einer Qualitätssteigerung
der Brennstoffzelle.
-
Gemäß einem
siebzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Strommeßvorrichtung vorgesehen
zum Gebrauch in einem Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle,
die geeignet ist, elektrische Energie durch eine elektrochemische
Reaktion zwischen einem Oxidantgas und einem Brenngas zu erzeugen,
und die eine Membran-Elektroden-Anordnung aufweist, bestehend aus
einer Elektrolytmembran und einem Paar von Elektroden, die auf beiden
Oberflächen
der Membran-Elektroden-Anordnung
ausgebildet sind. Die Strommeßvorrichtung
umfaßt
einen elektrisch leitenden Trenner, der mit wenigstens einem Brenngaskanal
versehen ist, durch den Brenngas fließt, und mit einem Oxidantgaskanal,
durch den Oxidantgas fließt,
und der über
einer Außenfläche der
Elektrolyt-Membran-Anordnung angeordnet und mit einem ausgenommenen
Abschnitt versehen ist. Ein säulenartiger Abschnitt
ist in dem ausgenommenen Abschnitt des Trenners angeordnet und in
elektrischem Kontakt mit einem lokalen Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung
gehalten, um lokalisiertem Strom zu gestatten, von dem lokalen Bereich
in den säulenartigen Abschnitt
zu fließen.
Ein Magnetsensor ist in dem ausgenommenen Abschnitt angeordnet um
die Größe eines
Magnetfeldes zu ermitteln, das um den säulenförmigen Abschnitt erzeugt wird.
-
Mit
einer solchen Bauform hat die Strommeßvorrichtung den gleichen Vorteil
wie jenen der oben erörterten
Strommeßvorrichtung.
Außerdem besteht
keine Notwendigkeit zur Vorbereitung zusätzlicher Komponenten, weil
der Trenner elektrisch leitend ist und als elektrischer Leiter dient,
weshalb sich eine Verringerung der Zahl der Komponenten ergibt.
-
Gemäß einer
achtzehnten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist eine Strommeßvorrichtung zum Gebrauch in
einem Brennstoffzellensystemvorgesehen, das geeignet ist, elektrische
Energie zu liefern und einen elektrischen Leiter umfaßt, der
geeignet ist, in elektrischem Kontakt mit der Zelleneinheit gehalten
zu werden, um elektrischem Strom zu gestatten, von der Zelleneinheit
in den elektrischen Leiter zu fließen, und der eine ausgenommenen
Abschnitt aufweist. Ein säulenförmiger Abschnitt ist
in dem ausgenommenen Abschnitt des elektrischen Leiters ausgebildet
und in elektrischem Kontakt mit einem lokalen Bereich der Zelleneinheit
gehalten, um lokalisiertem Strom zu gestatten, vom lokalen Bereich
in den säulenförmigen Abschnitt
zu fließen.
Ein magnetischer Sensor ist in einem von einem Zentrum des elektrischen
Leiters entfernten Bereich angeordnet, um die Größe eines Magnetfeldes zu messen,
das um den säulenartigen
Abschnitt erzeugt wird.
-
Bei
einer solchen Bauform können
magnetische Störungen,
die durch einen anderen elektrischen Strom als den lokalisierten
Strom verursacht werden, minimiert werden, was es ermöglicht,
das Magnetfeld genau zu messen, das von dem durch den säulenartigen
Abschnitt fließenden
Strom erzeugt wird, was das Messen des lokalen Stroms mit erhöhter Genauigkeit
und mit einer vereinfachten Konstruktion ermöglicht.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung und zur Darstellung, wie diese zur Wirkung gebracht
wird, werden nun nur beispielsweise spezielle Ausführungsformen
und Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
die Folgendes zeigen:
-
1 eine
typische Ansicht zur Darstellung der Gesamtanordnung eines Brennstoffzellensystems
einer ersten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
2 eine
perspektivische Ansicht einer die Brennstoffzelle nach 1 bildenden
Zelleneinheit;
-
3 eine
transparente Ansicht eines Lufttrenners von der rechten Seite der 2 her
gesehen;
-
4 eine
transparente Ansicht eines Wasserstofftrenners von der rechten Seite
der 2 her gesehen;
-
5 eine
vergrößerte, perspektivische
Ansicht zur Darstellung eines wesentlichen Teils der in 2 gezeigten
Strommeßvorrichtung;
-
6 einen
Querschnitt nach der Linie A1-A1 in 5;
-
7 ein
Diagramm zur Darstellung der Veränderung
des lokalisierten Stroms und der Veränderung der Feuchtigkeit der
der Brennstoffzelle zuzuführenden
Luft in einer Situation, in der die Elektrolytmembran ausgetrocknet
ist;
-
8 ein
Diagramm zur Darstellung der Veränderung
des lokalisierten Stroms in einer Situation, in der die Elektrode übermäßig naß ist aufgrund
einer Zunahme der Menge der Wassertröpfchen; die sich in einem Wasserstoffauslaßabschnitt
der Brennstoffzelle sammeln;
-
9 ein
Diagramm zur Darstellung der Veränderung
des lokalisierten Stroms in einer Situation, in der ein Mangel an
Wasserstoff in der Brennstoffzelle auftritt;
-
10 ein Diagramm zur Darstellung der Veränderung
des lokalisierten Stroms in einer Situation, in der die Elektrode übermäßig naß ist und
in der Brennstoffzelle ein Mangel an Wasserstoff auftritt;
-
11 ein Diagramm zur Darstellung der Sinkgeschwindigkeit
des lokalisierten Stroms in einer Situation, in der die Elektrode übermäßig naß ist und ein
Mangel an Wasserstoff in der Brennstoffzelle auftritt;
-
12 ein Flußdiagramm
zur Darstellung einer Grundabfolge von durch den Steuerabschnitt
des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems
auszuführenden
Vorgängen
zur Durchführung
eines zugehörigen
Diagnoseverfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
13 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung
zwischen einem bei der Diagnose eines ausgetrockneten Zustands auftretenden
Gesamtstromwerts und einem gegebenen Stromwert;
-
14 eine typische Ansicht einer Gesamtanordnung
des Brennstoffzellensystems gemäß einer
zweiten Ausführungsform
nach der vorliegenden Erfindung;
-
15 eine typische perspektivische Ansicht zur Darstellung
einer in 14 gezeigten Brennstoffzelle;
-
16 eine typische perspektivische Ansicht zur Darstellung
einer in 14 gezeigten Brennstoffzelle;
-
17 ein Diagramm zur Darstellung der Veränderung
eines Differenzstroms in Gegenwart von Schwankungen des Feuchtigkeitsgehalts
einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
18 ein Diagramm zur Darstellung eines Differenzstroms
in Gegenwart von Schwankungen des Feuchtigkeitsgehalts der Brennstoffzelle;
-
19 ein Flußdiagramm
zur Darstellung einer Grundabfolge von durch den Steuerabschnitt
des Brennstoffzellensystems der dritten Ausführungsform auszuführenden
Vorgängen
zur Durchführung eines
zugehörigen
Diagnoseverfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
20 ein Diagramm zur Darstellung des Ausgangsstroms
einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems nach einer vierten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in Gegenwart von Schwankungen des Feuchtigkeitsgehalts
der Brennstoffzelle;
-
21 ein Diagramm zur Darstellung des Differenzstroms
in Gegenwart von Fluktuationen des Feuchtigkeitsgehalts der Brennstoffzelle;
-
22 ein Flußdiagramm
zur Darstellung einer Grundabfolge von durch das Brennstoffzellensystem
gemäß der vierten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausgeführten Vorgängen zur Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts
zur Dwchführung
eines zugehörigen
Diagnoseverfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
23 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung
zwischen dem örtlichen
Innenwiderstand und dem inneren Feuchtigkeitsgehalt einer Brennstoffzelle
eine Brennstoffzellensystems nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zur Durchführung
eines zugeordneten erfindungsgemäßen Verfahrens;
-
24 ein Diagramm zur Darstellung des örtlichen
Innenwiderstands einer Brennstoffzelle in Gegenwart von Schwankungen
des Feuchtigkeitsgehalts der Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems
nach einer sechsten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Durchführung
eines zugeordneten Verfahrens;
-
25 ein Diagramm zur Darstellung der Veränderung
des Differenzwiderstands in Gegenwart von Schwankungen des Feuchtigkeitsgehalts
der Brennstoffzelle;
-
26 ein Flußdiagramm
zur Darstellung einer Grundabfolge von durch ein Brennstoffzellensystem
nach einer sechsten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgeführten
Vorgängen zur
Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts zur Dorchführung eines zugeordneten Verfahrens
der vorliegenden Erfindung;
-
27 ein Diagramm zur Darstellung des örtlichen
Innenwiderstands einer Brennstoffzelle in Gegenwart von Schwankungen
des Feuchtigkeitsgehalts einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems
einer sechsten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
28 ein Diagramm zur Darstellung des Differenzwiderstands
in Gegenwart von Schwan
-
29 ein Flußdiagramm
zur Darstellung einer Grundabfolge von durch ein Brennstoffzellensystem
nach einer siebten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung durchge führten
Vorgängen zur
Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts zur Dorchführung eines zugeordneten Verfahrens
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
30 eine typische Ansicht der Gesamtanordnung eines
Brennstoffzellensystems nach einer achten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
31 eine perspektivische Ansicht einer die in 30 gezeigte Brennstoffzelle bildenden Zelleneinheit;
-
32 eine transparente Ansicht eines Lufttrenners
von der rechten Seite der 31 aus gesehen;
-
33 eine transparente Ansicht eines Wasserstofftrenners
von der rechten Seite der 31 aus
gesehen;
-
34 eine vergrößerte, perspektivische Ansicht
zur Darstellung eines wesentlichen Teils der in 31 gezeigten Strommeßvorrichtung;
-
35 einen Querschnitt nach der Linie A2-A2 in 34;
-
36e in Diagramm zur Darstellung der Veränderung
des örtlichen
Stroms in Abhängigkeit vom
Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle;
-
37 ein Flußdiagramm
zur Darstellung einer Grundabfolge von durch einen Steuerabschnitt des
in 30 gezeigten Brennstoffzellensystems ausgeführten Vorgängen zur
Durchführung
eines Programms gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
38 eine Zeittafel zur Darstellung der Zeitpunkte,
zu denen verschiedene Steuerflags verändert werden;
-
39 eine typische Ansicht der Gesamtanordnung eines
Brennstoffzellensystems nach einer neunten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
40 ein Diagramm zur Darstellung der Veränderung
des elektrischen Stroms während
eines Luftaustreibvorgangs;
-
41 ein Flußdiagramm
zur Darstellung einer Grundabfolge von Vorgängen zur Ausführung eines
Luftaustreibvorgangs durch den Steuerabschnitt eines in 39 gezeigten Brennstoffzellensystems zur Durchführung eines
zugeordneten Steuerverfahrens der vorliegenden Erfindung
-
42 ist eine Zeittafel zur Darstellung der Zeitpunkte
zu denen verschiedene Steuerflags verändert werden;
-
43 eine typische Ansicht der Gesamtanordnung einer
Brennstoffzelle nach einer zehnten Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
44 eine Ansicht zur Darstellung der schematischen
Anordnung eines Lufttrenners einer in 43 gezeigten
Brennstoffzelle;
-
45 ein Flußdiagramm
zur Darstellung der Grundabfolge von durch den Steuerabschnitt eines
in 43 gezeigten Brennstoffzellensystems ausgeführten Vorgängen zur
Durchführung
eines zugeordneten Verfahrens der vorliegenden Erfindung;
-
46 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung
zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle und dem örtlichen
Strom:
-
47 eine typische Ansicht der Gesamtanordnung eines
Brennstoffzellensystems nach einer elften Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
48 ein Flußdiagramm
zur Darstellung einer Grundabfolge von durch einen Steuerabschnitt des
in 47 gezeigten Brennstoffzellensystems ausgeführten Vorgängen zur
Durchführung
eines Diagnoseverfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
49 eine typische Ansicht einer Gesamtanordnung,
die ein Brennstoffzellensystem nach einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung darstellt;
-
50 ein Flußdiagramm
zur Darstellung der Grundabfolge von durch einen Steuerabschnitt des
in 49 gezeigten Brennstoffzellensystems ausgeführten Vorgängen zur
Durchführung
eines zugeordneten Diagnoseverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
51 eine typische Ansicht einer Gesamtanordnung,
die ein Brennstoffzellensystem nach einer dreizehnten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
-
52 ein Flußdiagramm
zur Darstellung der Grundabfolge von durch einen Steuerabschnitt des
in 51 gezeigten Brennstoffzellensystems ausgeführten Vorgängen zur
Durchführung
eines zugeordneten Diagnoseverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
53 eine typische Ansicht einer Gesamtanordnung,
die ein Brennstoffzellensystem nach einer vierzehnten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
-
54 eine typische Ansicht einer Gesamtanordnung,
die ein Brennstoffzellensystem nach einer fünfzehnten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
-
55 eine schematische Ansicht zur Darstellung eines
Wasserstofftrenners einer in 54 gezeigten
Brennstoffzelle;
-
56 ein Flußdiagramm
zur Darstellung der Grundabfolge von durch einen Steuerabschnitt des
in 54 gezeigten Brennstoffzellensystems ausgeführten Vorgängen zur
Durchführung
eines zugeordneten Steuerverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
57A ein Diagramm zur Darstellung der Veränderung
des einem Wasserstoffauslaßabschnitt der
in 54 gezeigten Brennstoffzelle zugeordneten Stromwertes;
-
57B ein Diagramm zur Darstellung der Veränderung
des Wasserstoffausstoßes
-
58 eine typische Ansicht einer Gesamtanordnung,
die ein Brennstoffzellensystem nach einer sechzehnten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
-
59 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelle,
die mit einer Strommeßvorrichtung gemäß einer
siebzehnten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung versehen ist;
-
60 eine schematische Seitenansicht der in 59 gezeigten Brennstoffzelle;
-
61 eine perspektivische Ansicht der in 59 gezeigten Strommeßvorrichtung
-
62A eine Frontansicht eines elektrischen Stromleiters
der in 61 gezeigten Strommeßvorrichtung;
-
62B eine Seitenansicht der in 62A gezeigten Strommeßvorrichtung;
-
62C einen Querschnitt nach der Linie A3-A3 in 62A;
-
62D einen Querschnitt nach der Linie B1-B 1 in 62A;
-
63 eine transparente Ansicht eines in 60 gezeigten Lufttrenners;
-
64 eine transparente Ansicht eines in 60 gezeigten Wasserstofftrenners;
-
65 eine perspektivische Ansicht einer Strommeßvorrichtung
nach einer achtzehnten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
66A eine vergrößerte Frontansicht
zur Darstellung eines wesentlichen Teils der in 65 gezeigten Strommeßvorrichtung;
-
66B einen Querschnitt nach der Linie A4-A4 in 66A;
-
67A eine vergrößerte Ansicht
eines wesentlichen Teils einer abgewandelten Form der in den 66A und 66B gezeigten
Strommeßvorrichtung;
-
67B ein Querschnitt nach der Linie A5-A5 in 67A;
-
68 eine perspektivische Ansicht einer Strommeßvorrichtung
nach einer neunzehnten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
69A eine Draufsicht auf einen ersten elektrischen
Leiter, der einen Teil der in 68 gezeigten
Strommeßvorrichtung
bildet;
-
69B eine Draufsicht auf einen zweiten elektrischen
Leiter, der einen anderen Teil der in 68 gebildeten
Strommeßvorrichtung
bildet;
-
70 einen Querschnitt nach der Linie B2-B2 in 68;
-
71A eine Draufsicht auf den in 68 gezeigten elektrischen Leiter;
-
71B eine Draufsicht auf eine abgewandelte Form
des zweiten Leiters der in 68 gezeigten
Strommeßvorrichtung;
-
72 einen Querschnitt nach der Linie B3-B3 in den 71A und 71B;
-
73 einen Querschnitt zur Darstellung einer Strommeßvorrichtung
nach einer zwanzigsten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
74 einen Querschnitt zur Darstellung einer Strommeßvorrichtung
nach einer einundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
75 einen Querschnitt zur Darstellung einer Strommeßvorrichtung
nach einer zweiundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
76 eine Ansicht der Anordnung einer eine Strommeßvorrichtung
einschließenden
Stromüberwachungsvorrichtung
nach einer dreiundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
77 eine perspektivische Ansicht der in 76 gezeigten Stromüberwachungsvorrichtung;
-
78A eine Ansicht der rechten Seite der in 77 gezeigten Stromüberwachungsvorrichtung und
einer Zelleneinheit;
-
78B eine Draufsicht auf die in 77 gezeigte Stromprüfvorrichtung und die Zelleneinheit;
-
79 ein aufgezeichnetes Diagramm mit gemessenen
Beispielen von Stromwerten an verschiedenen lokalisierten Strommeßpunkten;
-
80 ist ein Diagramm zur Darstellung eines Verlaufs
des elektrischen Stroms bei der Zelleneinheit basierend auf den
in 79 dargestellten Meßergebnissen;
-
81 eine Ansicht der Anordnung einer eine Strommeßvorrichtung
einschließenden
Stromprüfvorrichtung
nach einer vierundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
82 eine vergrößerte Draufsicht
auf die in 81 gezeigte Stromprüfvorrichtung;
-
83A eine perspektivische Ansicht einer eine Strommeßvorrichtung
einschließenden
Brennstoffzelle nach einer fünfundzwanzigsten
Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
83B eine perspektivische Ansicht der in 83A gezeigten Strommeßvorrichtung;
-
84 eine schematische Seitenansicht der in 83A gezeigten Brennstoffzelle;
-
85 eine vergrößerte Ansicht
eines wesentlichen Teils der in 83B gezeigten
Strommeßvorrichtung;
-
86 eine Entwurfsansicht zur Darstellung des Magnetfelds
in der in 83B gezeigten Strommeßvorrichtung;
-
87A eine Frontansicht einer Strommeßvorrichtung
nach einer sechsundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
87B einen Querschnitt nach der Linie A6-A6 in 87A;
-
88 eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellensystems
nach einer siebenundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
89A und 89B Entwurfsansichten zur
Darstellung der Magnetfelder in einer in das in 88 gezeigte Brennstoffzellensystem einbezogenen
Strommeßvorrichtung;
-
90A eine Frontansicht einer Strommeßvorrichtung
nach einer achtundzwanzigsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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90B einen Querschnitt nach der Linie A7-A7 in 90A;
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91A eine Frontansicht einer Strommeßvorrichtung
einer abgewandelten Form der in den 90A und 90B gezeigten achtundzwanzigsten Ausführungsform;
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91B einen Querschnitt nach der Linie A8.A8 in 91A;
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92A eine Frontansicht einer Strommeßvorrichtung
einer neunundzwanzigsten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung und
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92B einen Querschnitt nach der Linie A9-A9 in 92A.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend
werden verschiedene Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. In der folgenden Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen
bezeichnen gleiche Bezugszeichen oder -zahlen gleiche oder äquivalente
Bestandteile in allen Ansichten.
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In
Klammern gesetzte Ausdrücke
beziehen sich nachfolgend auf einen Ausdruck, der in anderer Weise
ausgedrückt
ist, um eine Detailkomponente zu bezeichnen, die bei der Beschreibung
der Ausführungsform
später
beschrieben wird.
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Es
wird in dieser Beschreibung der Ausdruck „Energieeinheit" zur Bezeichnung
einer Brennstoffzelle, einer Luftbatterie, einer Sekundärbatterie
und eines Kondensators usw. benutzt, die das Merkmal aufweisen,
einer Mehrzahl von Zelleneinheiten zur Lieferung elektrischer Energie
zu besitzen.
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(Erste Ausführungsform)
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Die 1 ist
eine typische Ansicht zur Darstellung eines als ein elektrisches
Energieeinheitssystem dienenden Brennstoffzellensystems gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und eines zugehörigen Verfahrens. Das Brennstoffzellensystem
kann beispielsweise bei einem elektrischen Fahrzeug verwendet werden.
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Wie
in 1 gezeigt, ist das Brennstoffzellensystem 10 der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
so dargestellt, daß es
eine Brennstoffzelle 12 umfaßt, die derart wirkt, daß sie eine
elektrochemische Reaktion eines Oxidantgases, wie Sauerstoff enthaltender
Luft, und eines Brenngases, wie Wasserstoff, zur Erzeugung elektrischer
Energie durchführt.
Die Brennstoffzelle 12 ist geeignet, elektrische Energie
einer elektrischen Einrichtung, wie einer elektrischen Last 14 und
einer (nicht gezeigten) Sekundärbatterie,
zuzuführen.
In diesem Zusammenhang entspricht bei der Anwendung bei einem elektrischen
Fahrzeug ein zum Fahrzeugantrieb dienender Elektromotor der elektrischen
Last 14.
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Beim
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsbeispiel
besteht die Brennstoffzelle
12 aus einer Brennstoffzelle
in Form eines festen, ein Polymerisationsprodukt darstellenden Elektrolyten,
die einen Stapel aus einer Mehrzahl von Zelleneinheiten einschließt, die
elektrisch in Reihe geschaltet sind. In der Brennstoffzelle findet
eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff
zur Erzeugung elektrischer Energie auf eine Weise statt, die ausgedrückt werden
kann durch:
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Um
die Ausgangsspannung der Zelleneinheiten zu ermitteln, ist ein Zellenmonitor 16 mit
der Brennstoffzelle 12 als eine Zellenspannungsmeßeinheit
verbunden, und die durch den Zellenmonitor 16 ermittelten
Zellenspannungssignale werden in einen Steuerabschnitt 18 in
einer unten beschriebenen Weise eingegeben: Außerdem ist ein Stromsensor 19 mit
einem Ausgang der Brennstoffzelle 12 verbunden, um den
Gesamtstrom der Brennstoffzelle 12 zu messen, wobei ein
durch den Stromsensor 19 gemessener Gesamtstromwert durch
den Zellenmonitor 16 zu dem unten beschriebenen Zweck auf
den Steuerabschnitt 18 übertragen
wird.
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Das
Brennstoffzellensystem 10 umfaßt weiter eine Luftversorgungsquelle
wie eine Pumpe 20, die die atmosphärische Luft ansaugt, um Luftelektroden
(positiven Elektroden) der Brennstoffzelle 12 über einen
Luftkanal 22 Luft (Sauerstoff) unter Druck zuzuführen, sowie
eine Wasserstoffversorgungsquelle 24.
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Die
Luftpumpe 20 schließt
einen Luftverdichter ein, wie beispielsweise einen adiabatischen
Luftverdichter, von dem aus der Brennstoffzelle 12 Druckluft
zugeführt
wird.
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Die
Wasserstoffversorgungsquelle 24 besteht aus einem Wasserstofftank
gefüllt
mit Wasserstoff oder einem (nicht gezeigten) Umformer, der aus einem
Kohlenwasserstoff-Brennstoff Wasserstoff gewinnt, der über eine
Wasserstoffleitung 26 den Wasserstoffelektroden (negativen
Elektroden) der Brennstoffzelle 12 zugeführt wird.
Wie hier verwendet entspricht Luft dem Oxidantgas und Wasserstoff
dem Brenngas.
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Wie
in 1 gezeigt, ist im Luftkanal 22 ein Befeuchter 28 zwischen
der Pumpe 20 und der Brennstoffzelle 12 angeordnet
um die der Brennstoffzelle 12 zugeführte Luft zu befeuchten. Von
der Brennstoffzelle 12 geht ein Luftauslaßkanal 32 aus und
stromab von der Brennstoffzelle 12 ist im Luftauslaßkanal 32 ein
Druckregelventil 34 angeordnet, um den Druck der über den
Luftkanal 22 der Brennstoffzelle 12 zugeführten Luft
zu regulieren.
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Gleichermaßen ist
im Wasserstoffkanal 26 ein Befeuchter 36 angeordnet,
der den der Brennstoffzelle 12 zugeführten Wasserstoff befeuchtet.
Ein Wasserstoffdruckregelventil 38 ist im Wasserstoffkanal
zwischen der Brennstoffzelle 12 und der Wasserstoffversorgungsquelle 24 abgeordnet,
um den der Brennstoffzelle 12 über den Wasserstoffkanal 26 zugeführten Wasserstoff
zu befeuchten.
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Ein
Brenngaszirkulationskanal 40 ist mit einem Ende mit einer
Wasserstoffauslaßöffnung der Brennstoffzelle 12 und
mit dem anderen Ende mit dem Wasserstoffkanal 26 an einer
Abzweigung 41 zwischen der Wasserstoffversorgungsquelle 24 und dem
Befeuchter 36 verbunden. Dies ermöglicht es, nicht der Reaktion
unterzogenen Wasserstoff, der von der Brennstoffzelle 12 ausgestoßen wird,
zur Wiederverwendung über
den Brenngaszirkulationskanal 40 wieder der Brennstoffzelle 12 zuzuführen. Um
den ausgestoßenen
Wasserstoff durch den Brenngaszirkulationskanal 40 zu befördern, ist stromab
von der Brennstoffzelle 12 im Brenngaszirkulationskanal 40 eine
Wasserstoffpumpe 42 angeordnet.
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Der
Steuerabschnitt 18 schließt eine als Diagnosevorrichtung
dienende Steuerung ein, die eine elektronische Steuerungseinheit
(ECU) umfaßt,
die als Diagnosevorrichtung dient, die einen Mikrocomputer einschließt, der
aus einer CPU, einem ROM, einem RAM und der zugeordneten peripheren
Schaltung besteht. Die Diagnosevorrichtung 18 wird mit den
vom Zellenmonitor 16 gelieferten Zellenspannungssignalen
und anderen Ermittlungssignalen versorgt, die von einer Strommeßvorrichtung
ausgehen, die nachfolgend noch beschrieben wird. Die Diagnosevorrichtung 18 führt eine
Berechnung auf der Basis der Zellenspannungssignale und der Ermittlungssignale
aus, um Steuersignale zu erzeugen, die der Luftpumpe 20,
den Befeuchtern 28, 36, dem Luftdruckregelventil 34,
dem Wasserstoffdruckregelventil 38 und der Wasserstoffpumpe 42 zugeführt werden.
Auf diese Weise wird die Diagnosevorrichtung 18 zur Diagnostizierung
eines Betriebszustands der Brennstoffzelle 12 wirksam.
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Die 2 ist
eine perspektivische Ansicht zur Darstellung einer Zelleneinheit 12A,
die einen Teil des Stapels der Brennstoffzelle 12 bildet.
Die Zelleneinheit 12A besteht aus einer MEA (Membran-Elektrode-Anordnung:
Elektrolyt/Elektrode/Katalysator-Verbundkörper), die eine Elektrolytmembran
und ein Paar von Elektrodenumfaßt,
die zu beiden Seiten der Elektrolytmembran angeordnet sind, einen Lufttrenner 44,
der auf einer Seite der MEA 12A angeordnet ist, und einen
Wasserstofftrenner 46, der auf der anderen Seite der MEA
angeordnet ist. Des weiteren befindet sich auf einer Seite des Wasserstofftrenners 46 eine
Stromsammlerplatte 48 mit einem negativen Anschluß. In diesem
Fall dient der Lufttrenner 44 als Stromsammelplatte mit
einem positiven Anschluß.
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Die 3 ist
eine transparente Ansicht des Lufttrenners 44 von der rechten
Seite in 2 aus gesehen. Der Lufttrenner 44 besteht
aus dem Trennerkörper 50,
der mit einem Lufteinlaßabschnitt 50a ausgebildet
ist, der mit dem Luftkanal 22 der Brennstoffzelle 12 (siehe 1)
verbunden ist, einem Luftauslaßabschnitt 50b,
der mit dem Luftauslaßkanal 32 der
Brennstoffzelle 12 (siehe 1) verbunden
ist, und einem Luftkanal 50c, der sich zwischen dem Lufteinlaßabschnitt 50a und
dem Luftauslaßabschnitt 50b erstreckt,
um zwischen diesen eine Luftströmung
zu ermöglichen.
Entsprechend dem hier angewandten Sprachgebrauch entspricht der
Lufttrenner 44 einem ersten Trenner der vorliegenden Erfindung und
der Luftkanal 50c entspricht einem Oxidantgas-Kanal. Gleichermaßen entspricht
der Lufteinlaßabschnitt 50a einem
Oxidantgas-Einlaßabschnitt
und der Luftauslaßabschnitt 50b einem
Oxidantgas-Auslaßabschnitt
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Wie
in den 2 und 3 gezeigt,
besitzt der die Elektrolytmembran bildende Teil der MEA 12A einen
spezifizierten lokalen Bereich in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaßabschnitt 50a des Lufttrenners 44,
wo die Elektrolytmembran dazu neigt, auszutrocknen. Zum besseren
Verständnis
ist dieser spezifizierte lokale Bereich der MEA 12A in 3 als
schraffierte Fläche
B dargestellt als ein Abschnitt, der eine dem Lufteinlaßabschnitt 50a der MEA 12A zugeordnete
Trocknungscharakteristik aufweist.
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Die 4 ist
eine perspektivische Ansicht des Wasserstofftrenners 46 gesehen
von der rechten Seite der 2 aus:
Der Wasserstofftrenner 46 besteht aus einem Trennerkörper 52,
an dem ein Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a ausgebildet
ist, der mit dem Wasserstoffkanal 28 der Brennstoffzelle 12 (siehe 1)
verbunden ist, einem Wasserstoffauslaßabschnitt 52b, der
mit dem Wasserstoffauslaßkanal 40 der
Brennstoffzelle 12 (siehe 1) verbunden ist,
und einem Wasserstoffkanal 52c, der sich zwischen dem Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a und
dem Wasserstoffauslaßabschnitt 52b erstreckt,
um zwischen ihnen eine Wasserstoffströmung zu ermöglichen. Wie hier gebraucht,
entspricht der Wasserstofftrenner 46 einem zweiten Trenner
der vorliegenden Erfindung und der Wasserstoffkanal 52c entspricht einem
Brenngaskanal. Gleichermaßen
entspricht der Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a einem
Brenngaseinlaßabschnitt
der vorliegenden Erfindung und der Wasserstoffauslaßabschnitt 52b entspricht
einem Brenngasauslaßabschnitt
der vorliegenden Erfindung.
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Wie
in den 2 und 4 gezeigt
ist, besitzt der die Elektrolytmembran bildende Teil der MEA 12A einen
anderen spezifizierten lokalen Bereich in enger Nachbarschaft zum
Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a des
Wasserstofftrenners 46, wo die Elektrolytmembran dazu neigt,
auszutrocknen. Zum besseren Verständnis ist dieser spezifizierte
lokale Bereich der MEA 12A in 4 als
schraffierte Fläche
C dargestellt als ein Abschnitt, der eine dem Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a der
MEA 12A zugeordnete Trocknungscharakteristik aufweist.
Zusätzlich
besitzt die Elektrolytmembran noch einen weiteren spezifizierten
lokalen Bereich in der engen Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 52b des
Wasserstofftrenners 46, wo die Elektrolytmembran dazu neigt,
einen überschüssigen Feuchtigkeitsgehalt
aufzuweisen und wo die Elektrolytmembran dazu neigt, einen Mangel
an Brenngas, wie Wasserstoff, aufzuweisen. Zum besseren Verständnis ist
dieser spezifizierte lokale Bereich der MEA 12A in 4 als schraffierte
Fläche
D dargestellt als ein Abschnitt, der eine dem Wasserstoffauslaßabschnitt 52b der
MEA 12A zugeordnete Benetzungscharakteristik und eine ihm
zugeordnete Wasserstoffkonzentrationscharakteristik aufweist.
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Die 5 ist
eine vergrößerte perspektivische
Ansicht zur Darstellung eines wesentlichen Teils der Stromsammlerplatte 48 mit
dem negativen Anschluß,
und 6 ist ein Querschnitt nach der Linie A1-A1 in 5.
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Wie
in den 2, 5 und 6 gezeigt, ist
die Stromsammlerplatte 48 in eine Hauptstromsammlerplatte 48a und
drei Hilfsstromsammlerplatten 48b, 48c und 48d unterteilt,
die auf einem Isolatorrahmen 48e aus Isolationsmaterial
in spezifizierten lokalen Bereichen der Stromsammlerplatte 48 so angeordnet
sind, daß sie
voneinander elektrisch isoliert sind.
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Das
heißt,
die erste Hilfsstromsammlerplatte 48b ist auf dem Isolatorrahmen 48e in
einem ersten lokalen Bereich angeordnet, der näher am Lufteinlaßabschnitt 50a des
Luftkanals 50c des Lufttrenners 44 liegt als der
Luftauslaßabschnitt 50b,
d.h. in einem Bereich (der schraffierten Fläche B in 3 entsprechend),
der in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaßabschnitt 50a liegt
und kennzeichnend für
die Trocknungscharakteristik der Brennstoffzelle 12 ist,
die zum Austrocknen neigt, und insbesondere in einem Bereich, wo
die erste Hilfsstromsammlerplatte 48b dem Lufteinlaßabschnitt 50a gegenüberliegend
diesen teilweise überdeckt.
Die Hauptstromsammlerplatte 48a und die erste Hilfsstromsammlerplatte 48b sind
durch eine erste, elektrisch leitende Stromsammlerverdrahtung 52 miteinander
verbunden, um den Durchfluß eines
ersten lokalisierten Stroms zu ermöglichen. Auf der ersten Stromsammlerverdrahtung 52 ist
ein erster Stromsensor 54 angeordnet, der den Durchfluß des ersten
lokalisierten Stroms durch die erste Stromsammlerverdrahtung 52 feststellt.
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In ähnlicher
Weise ist die zweite Hilfsstromsammlerplatte 48c auf dem
Isolatorrahmen 48e in einem zweiten lokalen Bereich angeordnet,
der näher am
Wasserstoff einlaßabschnitt 52a liegt
als der Wasserstoffauslaßabschnitt 52b,
d.h. in einem Bereich (der schraffierten Fläche C in 4 entsprechend), der
in engerer Nachbarschaft zum Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a liegt
als der Wasserstoffauslaßabschnitt 52b des
Wasserstoffkanals 52c und der kennzeichnend ist für die Trocknungscharakteristik
der Brennstoffzelle 12, die zum Austrocknen neigt, und insbesondere
in einem Bereich, in dem die zweite Hilfsstromsammlerplatte 48c,
dem Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a gegenüberliegend,
diesen teilweise überdeckt.
Die Hauptstromsammlerplatte 48a und die zweite Hilfsstromsammlerplatte 48c sind
durch eine zweite, elektrisch leitende Stromsammlerverdrahtung 56 miteinander
verbunden, um den Durchfluß eines
zweiten lokalisierten Stroms zu ermöglichen. Auf der zweiten Stromsammlerverdrahtung 56 ist
ein zweiter Stromsensor 58 angeordnet, der den Durchfluß des zweiten
lokalisierten Stroms durch die zweite Stromsammlerverdrahtung 56 feststellt.
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In ähnlicher
Weise ist die dritte Hilfsstromsammlerplatte 48d auf dem
Isolatorrahmen 48e in einem dritten lokalen Bereich näher am Wasserstoffauslaßabschnitt 52b angeordnet
als der Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a des
Wasserstofkanals 52c, d.h. in einem Bereich (dem schraffierten
Bereich D in 4 entsprechend), der in engerer
Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 52b liegt
als der Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a des
Wasserstoffkanals 52c und kennzeichnend ist für die Benetzungscharakteristik
und die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik der Brennstoffzelle 12,
wo sich Flüssigkeitströpfchen leicht
ansammeln und die Neigung zum Auftreten eines Wasserstoffmangels
besteht, und insbesondere in einem Bereich, in dem die dritte Hilfsstromsammlerplatte 48d,
dem Wasserstoffauslaßabschnitt 52b gegenüberliegend,
diesen teilweise überdeckt.
Die Hauptstromsammlerplatte 48a und die dritte Hilfsstromsammlerplatte 48d sind
durch eine dritte, elektrisch leitende Stromsammlerverdrahtung 60 miteinander
verbunden, um den Durchfluß eines
dritten lokalisierten Stroms zu ermöglichen. Auf der dritten Stromsammlerverdrahtung 60 ist
ein dritter Stromsensor 62 angeordnet, der den Durchfluß des dritten
lokalisierten Stroms durch die dritte Stromsammlerverdrahtung 60 feststellt.
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Die
Stromsensoren 54, 58 und 62 können auch
vorzugsweise jeweils aus, beispielsweise, Hall-Elementen bestehen.
In einem solchen Fall ist um jede der Stromsammlerverdrahtungen 52, 56, 60 jeweils
ein Eisenkern mit einem Luftspalt angeordnet, wobei die Hall-Elemente
jeweils im Luftspalt angeordnet werden können. Wenn die lokalisierten
Ströme
durch die Stromsammlerverdrahtungen 52, 56 bzw. 60 fließen, werden
den jeweiligen lokalisierten Strömen
entsprechende Magnetfelder um die Stromsammlerverdrahtungen 52, 56, 60 erzeugt.
Die Hall-Elemente entdecken diese durch die lokalisierten Ströme erzeugten
Magnetfelder und wandeln sie in entsprechende Spannungen um. Beispiele
für den Magnetsensor
umfassen auch ein MR-Element, ein MI-Element, ein Luftspaltmagnetometer
oder dergleichen. Nach einer anderen Alternative ist es möglich, einen
Stromsensor usw. unter Verwendung eines Nebenschlußwiderstands
einzusetzen.
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Es
ist zu erkennen, daß die
im ersten lokalen Bereich der Stromsammlerplatte 48 ausgebildete erste
Hilfsstromsammlerplatte 48b, die erste Stromsammlerverdrahtung 52 und
der erste Stromsensor 54, die im zweiten lokalen Bereich
der Stromsammlerplatte 48 ausgebildete zweite Hilfsstromsammlerplatte 48c,
die zweite Stromsammlerverdrahtung 56 und der zweite Stromsensor 58,
sowie die im dritten lokalen Bereich der Stromsammlerplatte 48 ausgebildete
dritte Hilfsstromsammlerplatte 48d, die dritte Stromsammlerverdrahtung 60 und
der dritte Stromsensor 62 jeweils Strommeßvorrichtungen
bilden, die den jeweiligen lokalen Bereichen der Brennstoffzelle zugeordnet
sind, um lokalisierte Ströme
zu messen, die durch den ersten bis dritten lokalen Bereich fließen.
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Es
wird nun der Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 mit
der vorstehend beschriebenen Anordnung und ein zugeordnetes Verfahren
beschrieben.,
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Zunächst wird,
ansprechend auf die Anforderung elektrischer Energie durch die elektrische
Last 14 durch den Steuerabschnitt 18, der Durchfluß von Luft
und Wasserstoff zur Versorgung der Brennstoffzelle 12 gesteuert.
Insbesondere steuert der Steuerabschnitt 18 die Drehzahl
der Luftpumpe 20, um dadurch den Durchfluß der Luft
zur Versorgung der Brennstoffzelle 12 zu steuern, und steuert
die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 42, um dadurch den Durchfluß des Wasserstoffs
für die
Versorgung der Brennstoffzelle 12 zu steuern. Wenn dies
stattfindet, ist der Durchfluß der
Luft vorab auf einen vorgegebenen Durchfluß eingestellt, um keine Schwankungen der
Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 12 zu verursachen.
In dieser Situation verursacht die Versorgung der Brennstoffzelle 12 mit
Luft und Wasserstoff den Ablauf einer elektrochemischen Reaktion zur
Erzeugung elektrischer Energie, die ihrerseits der elektrischen
Last 14 zugeführt
wird.
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Der über die
elektrische Last 14 fließende Strom fließt über den
negativen Anschluß zur
Stromsammlerplatte 48. Der der Stromsammlerplatte 48 zufließende elektrische
Strom wird aufgeteilt in einen Hauptstrom, der in die MEA 42 fließt, einen
ersten Strom, der über
die erste Stromsammlerverdrahtung 52 und die erste Hilfsstrom sammlerplatte 48b in
die MEA fließt,
einen zweiten Strom, der über
die zweite Stromsammlerverdrahtung 56 und die zweite Hilfsstromsammlerplatte 48c in
die MEA fließt,
und einen dritten Strom, der über
die dritte Stromsammlerverdrahtung 60 und die dritte Hilfsstromsammlerplatte 48d in
die MEA 42 fließt.
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Der
erste Strom, der durch die erste Stromsammlerverdrahtung 52 fließt, entspricht
dem ersten lokalisierten Strom (nachfolgend als Lufteinlaßstrom Ia•ein bezeichnet),
der durch den ersten lokalen Bereich der Stromsammlerplatte 48 fließt, der
sich in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaßabschnitt 50a der MEA 42 befindet,
wodurch dem ersten Stromsensor 54 ermöglicht wird, den Lufteinlaßstrom Ia•ein zu ermitteln.
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Weiter
entspricht der zweite Strom, der durch die zweite Stromsammlerverdrahtung 56 fließt, dem zweiten
lokalisierten Strom (nachfolgend als Wasserstoffeinlaßstrom Ih•ein bezeichnet),
der durch den zweiten lokalen Bereich der Stromsammlerplatte 48 fließt, der
sich in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a der
MEA 42 befindet, wodurch dem zweiten Stromsensor 58 ermöglicht wird, den
Wasserstoffeinlaßstrom
Ih•ein
zu ermitteln.
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Zusätzlich entspricht
der dritte Strom, der durch die dritte Stromsammlerverdrahtung 60 fließt, dem
dritten lokalisierten Strom (nachfolgend als Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus bezeichnet),
der durch den dritten lokalen Bereich der Stromsammlerplatte 48 fließt, der
sich in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 52b der
MEA 42 befindet, wodurch dem dritten Stromsensor 62 ermöglicht wird,
den Wasserstoffauslaßstrom
Ih•aus
zu ermitteln.
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Dabei
wird, wenn der Durchfluß der
der Brennstoffzelle 12 zuzuführenden befeuchtenden Luft
abnimmt, der näher
am Lufteinlaßabschnitt 50a befindliche
erste lokale Bereich der Elektrolytmembran der MEA 42 veranlaßt zu trocknen.
Die 7 zeigt Veränderungen
des lokalisierten Stroms I in Abhängigkeit von der Zeit in einem
getrockneten Bereich, der sich aus dem Auftreten eines getrockneten Zustands
der Elektrolytmembran ergibt, verursacht durch eine Abnahme der
Luftfeuchtigkeit a. Wie gezeigt nimmt der Protonenleitfähigkeitswiderstand
im getrockneten Bereich der Elektrolytmembran zu, was ein Absinken
des lokalisierten Stroms zur Folge hat.
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In ähnlicher
Weise wird, wenn der Durchfluß des
der Brennstoffzelle 12 zuzuführenden befeuchtenden Wasserstoffs
abnimmt, der näher
am Lufteinlaßabschnitt 50a befindliche
zweite lokale Bereich der Elektrolytmembran der MEA 42 veranlaßt zu trocknen
und der Protonenleitfähigkeitswiderstand
im getrockneten Bereich der Elektrolytmembran nimmt zu, was ein
Absinken des zweiten lokalisierten Stroms zur Folge hat. Man erkennt,
daß der
für die Trocknungscharakteristik
kennzeichnende zweite lokalisierte Strom des getrockneten Bereichs
der Elektrolytmembran, der auf deren durch die Abnahme des Durchflusses
des befeuchtenden Wasserstoffs zurückzuführenden getrocknetem Zustand
beruht, sich in der gleichen Weise verändert wie der erste lokalisierte
Strom, der absinkt, entsprechende der Reduzierung der Luftfeuchtigkeit Ψa, wie in 7 gezeigt.
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Ausgehend
von dieser Erscheinung, wird es durch das Messen der lokalisierten
Ströme
I, d.h. des Lufteinlaßstroms
Ia•ein
und des Wasserstoffeinlaßstroms
Ih•ein,
die dem ersten bzw. dem zweiten lokalen Bereich in enger Nachbarschaft
zum Lufteinlaßabschnitt 50a und
dem Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a zugeordnet
sind, die beide zum Austrocknen neigen, möglich, den getrockneten Zustand
der Elektrolytmembran der Brennstoffzelle 12 zu diagnostizieren.
Insbesondere wenn der Lufteinlaßstrom
Ih•ein und
der Wasserstoffeinlaßstrom
Ih•ein
geringer sind als ein gegebener Stromwert, kann abgeschätzt werden,
daß sich
auf der Elektrolytmembran ein trockener Bereich befindet. Der vorgegebene
Stromwert kann auch vorzugsweise so eingestellt werden, daß er annähernd 90%
des Stromwertes beträgt,
der auftritt, wenn auf der Elektrolytmembran kein trockener Bereich
vorhanden ist.
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Im
Gegensatz dazu erscheint auf der Elektrode ein nasser Zustand mit übermäßigem Feuchtigkeitsgehalt
dann, wenn Luft bzw. Wasserstoff in extensiver Weise befeuchtet
werden. Wenn dies stattfindet, sammeln sich Flüssigkeitströpfchen meistens im lokalen
Bereich D (siehe 4) der Elektrolytmembran in
einer Position, die dem Wasserstoffauslaß 52b eng benachbart
ist und darin einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt
verursacht, und diese Tendenz wird deutlich bemerkbar an der Elektrode
der MEA 42 in dem lokalen Bereich der näher am Wasserstoffauslaß 52b liegt.
Der Grund dafür,
warum sich die Flüssigkeitströpfchen leicht
in dem näher
am Wasserstoffauslaßabschnitt 52b gelegenen
lokalen Bereich sammeln, liegt darin, daß das Wasser durch den Wasserstoffkanal 52c vom
Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a zum
Wasserstoffauslaßabschnitt 52b. transportiert
wird und zusätzlich
die Strömungsgeschwindigkeit
des Wasserstoffs mit zunehmendem Verbrauch von Wasserstoff sinkt,
mit der Folge, daß die
Fähigkeit,
das Wasser auszutreiben, abnimmt.
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Die 8 zeigt
die Veränderung
des lokalisierten Stroms I im übermäßig nassen
lokalisierten Bereich in einer Situation, in der der Elektrolyt
in einen übermäßig feuch ten
Zustand versetzt ist als Ergebnis einer Zunahme des Volumens Vw
der im Wasserstoffauslaßabschnitt 52b angesammelten
Wassertröpfchen.
Wie in 8 gezeigt, wird mit der Zunahme
der Wassertröpfchen
Vw die Durchdringung des Gases gestört mit einem resultierenden
Absinken der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 12.
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Weiterhin
tritt in den Fällen,
in denen bezogen auf die Menge der erzeugten elektrischen Leistung
eine Verknappung des Wasserstoffdurchflusses besteht, eine Verknappung
von Wasserstoff im lokalen Bereich des MEA 42 neben dem
Wasserstoffauslaßabschnitt 52b auf,
wodurch ein Absinken des dritten lokalisierten Stroms im dritten
lokalen Bereich des MEA 42 von der dem Wasserstoffauslaßabschnitt 52b zugeordneten
Position verursacht wird. Die 9 zeigt
die Veränderung
des lokalisierten Stroms I in dem näher am Wasserstoffauslaßabschnitt 52b gelegenen
dritten lokalen Bereich des MEA 42, wenn er einer Verknappung
des Durchflusses Qh des der Brennstoffzelle 12 zuzuführend Wasserstoffs
ausgesetzt ist, und, wie gezeigt, sinkt der lokalisierte Strom I
plötzlich
und rasch ab, wenn in der Brennstoffzelle 12 ein Mangel
an Wasserstoff besteht.
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Aus
dieser Erscheinung, daß der
lokalisierte Strom, d.h. der Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus im dritten lokalen Bereich
in der Nähe
des Wasserstoffauslaßabschnitts 52b der
MEA 42 geringer ist als ein gegebener Wert. kann abgeschätzt werden,
daß ein übermäßiger Feuchtigkeitsgehalt
oder ein Mangel an Wasserstoff auftritt. Der vorgegebene Stromwert kann
auch vorzugsweise auf einen Wert von annähernd 90% des Stromwerts gesetzt
werden, der sich beim Auftreten eines übermäßigen Feuchtigkeitsgehalts
und einer Verknappung des Wasserstoffs ergibt.
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Hier
findet während
des Auftretens eines übermäßigen Feuchtigkeitsgehalts
oder des Auftretens eines Mangels an Wasserstoff ein Absinken des lokalisierten
Stroms I im lokalen Bereich statt, der in beiden Fällen näher am Wasserstoffauslaßabschnitt 52b der
MEA 42 liegt, und es entsteht die Notwendigkeit, festzustellen,
welcher Faktor die Ursache für
das Absinken des lokalisierten Stroms ist.
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Die 10 zeigt die Veränderung des lokalisierten Stroms
I im lokalen Bereich näher
am Wasserstoffauslaßabschnitt 52b des
MEA 42 während des
Auftretens eines übermäßigen Feuchtigkeitsgehalts
und die Veränderung
des lokalisierten Stroms I im lokalen Bereich näher dem Wasserstoffauslaßabschnitt 52b beim
Auftreten einer Verknappung des Wasserstoffs. Außerdem zeigt die 11 eine Sinkgeschwindigkeit (nachfolgend als Stromsinkgeschwindigkeit
bezeichnet) des lokalisierten Stroms I im lokalen Bereich näher dem
Wasserstoffauslaßabschnitt 52b des
MEA 42 während
des Auftretens eines übermäßigen Feuchtigkeitsgehalts
und der Verknappung des Wasserstoffs. Wie hier angewendet, bezieht
sich der Ausdruck „Stromsinkgeschwindigkeit" auch auf einen absoluten
Wert der Veränderung des
elektrischen Stroms pro Zeiteinheit. In den 10 und 11 stellen
durchgehende Linien charakteristische Kurven während des Auftretens eines übermäßigen Feuchtigkeitsgehalts
dar, während
unterbrochene Linien charakteristische Kurven beim Auftreten einer
Verknappung des Wasserstoffs darstellen, und t1 kennzeichnet den
Zeitpunkt, zu dem der Zustand der übermäßigen Nässe und der Verknappung des
Wasserstoffs eintritt.
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Wie
in den 10 und 11 gezeigt,
findet beim Vergleich mit dem lokalisierten Strom I beim Auftreten
des Zustands mit übermäßiger Feuchtigkeit das
rasche Absinken des lokalisierten Stroms I dann statt, wenn ein
Mangel an Wasserstoff auftritt. Durch diese Erscheinung kann aufgrund
der Stromsinkgeschwindigkeit, die sich beim Absinken des lokalisierten
Stroms I ergibt, der verursachende Faktor für das Absinken des lokalisierten
Stroms I bestimmt werden. Insbesondere kann dann, wenn der Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus geringer
ist als der vorgegebene Stromwert und die Stromsinkgeschwindigkeit geringer
ist als eine vorgegebene Sinkgeschwindigkeit dI1 (siehe 11), geschätzt
werden, daß ein übermäßiger Feuchtigkeitsgehalt
besteht. Gleichermaßen
kann dann, wenn der Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus geringer ist als ein gegebener
Stromwert und die Stromsinkgeschwindigkeit die vorgegebene Sinkgeschwindigkeit
dI1 übersteigt,
geschätzt werden,
daß eine
Verknappung des Wasserstoffs stattfindet. Die vorgegebene Sinkgeschwindigkeit
dI1 wird vorab auf einen Wert von annähernd 1,0 (mA/SEC/cm2) eingestellt.
-
Als
nächstes
wird ein Verfahren zur Diagnose eines Ausgangssinkfaktors der Brennstoffzelle 12 unter
Bezugnahme auf 12 beschrieben. Die 12 zeigt ein Flußdiagramm zur Darstellung einer Grundabfolge
von Diagnoseschritten zur Diagnose des Ausgangssinkfaktors der Brennstoffzelle 12 unter
durch den Steuerabschnitt 18 (siehe 18 des Brennstoffzellensystems 10 ausgeführten Steuervorgängen.
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Zunächst tritt
im Schritt S10 der Stromsensor 19 in Aktion, um den elektrischen
Gesamtstrom zu ermitteln, der von der Brennstoffzelle 12 zur
elektrischen Last 14 fließt, und im nächsten Schritt
S12 mißt
der erste Stromsensor 54 den Lufteinlaßstrom Ia•ein als ersten lokalisierten
Strom, der dem Steuerabschnitt 18 zugeführt wird. Im folgenden Schritt
S14 wird beurteilt, ob der Lufteinlaßstrom Ia•ein geringer ist als ein vorgegebener
Stromwert. Der „erste
gegebene Stromwert" ist
ein Wert, der vorab für
den Zweck festgelegt wird, einen trockenen Zustand der Brennstoffzelle 12 in
einem Bereich in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaßabschnitt 50a zu
diagnostizieren. Wie in 13 gezeigt,
ist der erste gegebene Stromwert im Verhältnis zum Gesamtstrom der Brennstoffzelle 12 aufgezeichnet
und kann auf der Basis des im Schritt S10 gemessenen Gesamtstroms festgestellt
werden.
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Falls
beim Schritt S14 festgestellt wurde, daß der Lufteinlaßstrom Ia•ein geringer
ist als der erste gegebene Stromwert, dann erfolgt beim folgenden Schritt
S16 die Diagnose, daß in
der Elektrolytmembran der MEA 42 ein trockener Bereich
vorhanden ist. Im Gegensatz dazu wird, wenn beim Schritt S14 gefunden
wird, daß der
Lufteinlaßstrom
Ia•ein
den ersten gegebenen Stromwert übersteigt,
im folgenden Schritt S18 festgestellt, die Diagnose gestellt, daß in der
Elektrolytmembran der MEA 42 kein trockener Bereich vorhanden
ist. In diesem Zusammenhang wird, wenn beim Schritt S16 die Diagnose
erfolgte, daß die
Elektrolytmembran einen trockenen Bereich aufweist, geschlossen,
daß die
der Brennstoffzelle 112 zugeführte Luft eine niedrige Feuchtigkeit Ψa aufweist,
weshalb der Steuerabschnitt 18 einen Befehl an den Befeuchter
ausgibt, die Befeuchtung der der Brennstoffzelle 12 zugeführten Luft
zu verstärken.
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Danach
wird beim folgenden Schritt S20 vom zweiten Stromsensor 58 der
Wasserstoffeinlaßstrom Ih•ein als
zweiter lokalisierter Strom gemessen, mit dem der Steuerabschnitt 18 beaufschlagt
wird. Im folgenden Schritt S22 findet ein Vergleich statt, um festzustellen,
ob der Wasserstoffeingangsstrom Ih•ein geringer ist als ein zweiter
gegebener Stromwert: Der „zweite
gegebene Stromwert" ist
ein vorher mit dem Zweck festgelegter Wert, einen trockenen Zustand der
Brennstoffzelle 12 in einem dem Wasserstoffeinlaßabschnitt 52a eng
benachbarten Bereich festzustellen. Der „zweite gegebene Stromwert" ist im Verhältnis zum
Gesamtstrom der Brennstoffzelle 12 in gleicher Weise wie
der erste gegebene Stromwert aufgezeichnet und kann auf der Basis
des beim Schritt S10 gemessenen Gesamtstroms erhalten werden.
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Falls
beim Schritt S22 festgestellt wird, daß der Wasserstoffeinlaßstrom Ih•ein geringer
ist als der gegebene zweite Stromwert, dann erfolgt beim nachfolgenden
Schritt S24 die Diagnose, daß die
Elektrolytmembran einen trockenen Bereich aufweist. Wenn im Gegensatz
dazu beim Schritt S22 festgestellt wird, daß der Wasserstoffeinlaßstrom Ih•ein den
zweiten gegebenen Wert übersteigt,
erfolgt beim Schritt S26 die Diagnose, daß die Elektrolytmembran keinen
trockenen Bereich aufweist. Falls in diesem Zusammenhang beim Schritt
S24 diagnostiziert wird, daß die
Elektrolytmembran einen trock enen Bereich aufweist, kann davon ausgegangen
werden, daß eine
zu geringe Befeuchtung des der Brennstoffzelle 12 zugeführten Wasserstoffs
erfolgt, weshalb der Steuerabschnitt 18 den Befeuchter 36 derart
steuert, daß die
Befeuchtung des der Brennstoffzelle 12 zugeführten Wasserstoffs
verstärkt
wird.
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Beim
nächsten
Schritt S28 mißt
der dritte Stromsensor 62 den Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus. Beim
nachfolgenden Schritt S30 wird ein Vergleich durchgeführt, um
festzustellen, ob der Wasserstoffausgangsstrom Ih•aus geringer
ist als ein dritter gegebener Stromwert. Der „dritte gegebene Stromwert" ist ein Wert. der
vorher zu dem Zweck festgelegt wurde, einen übermäßig feuchten Zustand der Brennstoffzelle 12 festzustellen
in einem Bereich, der sich in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 52b befindet.
Der „zweite
gegebene Stromwert" ist
im Verhältnis
zum Gesamtstrom der Brennstoffzelle 12 aufgezeichnet und
kann auf der Basis des beim Schritt S10 gemessenen Gesamtstroms
erhalten werden.
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Falls
im Gegensatz beim Schritt S30 festgestellt wird, daß der Wasserstoffausgangsstrom
Ih•aus den
dritten gegebenen Stromwert übersteigt,
wird im folgenden Schritt S32 die Diagnose gestellt, daß die Elektrolytmembran
keinen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt
oder keinen Mangel an Wasserstoff aufweist. Falls beim folgenden
Schritt S34 die Stromsinkgeschwindigkeit des Wasserstoffauslaßstroms Ih•aus geringer
ist als eine gegebene Sinkgeschwindigkeit, dann wird beim folgenden
Schritt S36 die Diagnose gestellt, daß die Elektrolytmembran sich
in einem übermäßig feuchten
Zustand befindet. Falls in diesem Zusammenhang beim Schritt S36
festgestellt wird, daß sich
die Elektrolytmembran in einem übermäßig feuchten
Zustand befindet, kann angenommen werden, daß der Brennstoffzelle Luft
oder Wasserstoff zugeführt
wird, der im Übermaß befeuchtet ist
oder daß die
Fähigkeit
zum Austreiben von Wasser gesunken ist durch eine Verringerung des
Wasserstromdurchflusses durch die MEA 42. Deshalb steuert
der Steuerabschnitt 18 den Befeuchter 28 derart,
daß die
Befeuchtung der Luft reduziert wird und steuert den Befeuchter 36 so,
die Befeuchtung des Wasserstoffs abnimmt, während der Durchfluß des Wasserstoffs
zur Versorgung der Brennstoffzelle 12 erhöht wird.
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Weiterhin,
falls beim Schritt S30 festgestellt wurde, daß der Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus geringer
ist als der dritte gegebene Stromwert und beim Schritt S34 gefunden
wurde, daß die
Stromsinkgeschwindigkeit des Wasserstoffauslaßstroms Ih•aus die gegebene Sinkgeschwindigkeit überschreitet, dann
wird beim Schritt S38 die Diagnose gestellt, daß die Elektrolytmembran einen
Mangel an der Brennstoffzelle 12 zu zuführendem Wasserstoff aufweist. Falls
in diesem Zusammenhang im Schritt S38 die Diagnose erfolgt, daß der Durchfluß des zuzuführenden
Wasserstoffs zu gering ist, veranlaßt der Steuerabschnitt 18 die
Erhöhung
des Wasserstoffdurchflusses zur Brennstoffzelle 12.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
mit der vorstehend erläuterten
Anordnung diagnostiziert der Steuerabschnitt 18 den trockenen
Zustand der Elektrolytmembran auf der Basis des Lufteinlaßstroms
Ia•ein,
während
er einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt
und einen Mangel an Wasserstoff auf der Basis des Wasserstoffauslaßstroms
Ih•aus
und der Stromsinkgeschwindigkeit des Wasserstoffauslaßstroms
Ih•aus
feststellt, wobei die Fähigkeit
gegeben ist, in geeigneter Weise zu diagnostizieren, welche Faktoren
einen Leistungsabfall der Brennstoffzelle 12 verursachen.
Die den Leistungsabfall der Brennstoffzelle 12 bedingenden
Faktoren können spezifiziert
werden, wodurch der Steuerabschnitt 18 befähigt wird,
in Abhängigkeit
von den spezifizierten Faktoren des Leistungsabfalls die geeignete
Steuerung vorzunehmen.
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Beim
Brennstoffzellensystem 10 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform
befähigt
die Benutzung der mit der MEA 12A kombinierten Strommeßvorrichtungen
zur Messung lokalen Bereichen zugeordneter, für Betriebscharakteristika,
wie die Trocknungscharakteristik, Benetzungscharakteristik und die
Wasserstoffkonzentrationscharakteristik usw. der Brennstoffzelle,
repräsentativer
lokalisierter Ströme,
die Diagnosevorrichtung 18 genau einen besonderen, durch
die zugeordneten lokalisierten Ströme definierten Betriebszustand
der Brennstoffzelle 12 auf der Basis der spezifizierten
Charakteristika zu diagnostizieren. Somit können die für einen Leistungsabfall maßgeblichen
Faktoren, wie der trockene Zustand, ein übermäßig feuchter Zustand und ein
Mangel an Brenngas oder dergleichen, präzise diagnostiziert werden,
was im Resultat zu einer in hohem Maße verbesserten Wirkungsweise
der Brennstoffzelle 12 führt.
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Darüber hinaus
befähigt
beim Brennstoffzellensystem 10 nach der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform
der Gebrauch der Stromsammlerplatte 48 in Kombination mit
der MEA 12A, wodurch lokalisierte Ströme an allen Punkten der MEA 12A zur
Spezifizierung der besonderen Betriebscharakteristika der Brennstoffzelle 12 ermöglicht werden,
das Brennstoffzellensystem 10 zu einer zuverlässigen Betriebsweise
bei einer zugleich vereinfachten Konstruktion.
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Zusätzlich kann
durch das Brennstoffzellensystem 10 nach der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
der durch die Strommeßvorrichtung gemessene
elektrische Strom mit einem gegebenen Stromwert verglichen werden,
wodurch, wenn ein Wert an der Strommeßvorrichtung geringer ist als
der gegebene Wert, die Diagnosevorrichtung 19 in der Lage
ist, zu diagnostizieren, daß sich
die Brennstoffzelle in einem trockenen Zustand befindet.
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(Zweite Ausführungsform)
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Als
nächstes
wird ein Brennstoffzellensystem einer zweiten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben unter Bezugnahme auf die 14 bis 16.
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Die 14 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung
der Gesamtanordnung des Brennstoffzellensystems der zweiten Ausführungsform; 15 ist eine perspektivische Ansicht einer einen
Teil der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
darstellenden Brennstoffzelle; und 16 ist
eine perspektivische Ansicht einer Zelleneinheit der Brennstoffzelle.
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Das
Brennstoffzellensystem 100 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform
unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform hinsichtlich der Anordnung
der Strommeßvorrichtung,
und die gleichen Bestandteile wie jene der ersten Ausführungsform
sind zur Vereinfachung der Beschreibung durch gleiche Bezugszahlen
gekennzeichnet.
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Wie
in 16 gezeigt, besitzt bei der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
die Stromsammlerplatte 48 Stromsammlerelemente 64 bis 70. Die
Stromsammlerelemente 64 bis 70 sind aus stangenartigem,
elektrisch leitendem Material gefertigt und so gestaltet, daß sie von
einer Plattenoberfläche der
ersten Stromsammlerplatte 48 vorstehen. Das zentrale Stromsammlerelement 64 ist
auf der Hauptstromsammlerplatte ausgebildet; das erste Stromsammlerelement 66 ist
auf der ersten Hilfsstromsammlerplatte 48b ausgebildet,
das zweite Stromsammlerelement 68 ist auf der zweiten Hilfsstromsammlerplatte 48c ausgebildet;
und das dritte Stromsammlerelement 70 ist auf der dritten
Hilfsstromsammlerplatte 48d ausgebildet. Über der
ersten Stromsammlerplatte 48 ist eine zweite Stromsammlerplatte 72 angeordnet,
die mit Durchgangsbohrungen 72a bis 72d an Positionen
versehen ist, die den Stromsammlerelementen 64 bis 70 zugeordnet
sind.
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Wie
in 14 gezeigt, fließt der durch die Brennstoffzelle 12 erzeugte
elektrische Strom zur elektrischen Last 14 durch die entsprechenden Stromsammlerelemente 64 bis 70.
Wie in den 14 und 15 gezeigt,
sind Stromsensoren 74, 76 und 78 für die Stromsammlerelemente 66, 68 bzw. 70 vorgesehen,
um die durch die auf den entsprechenden Hilfsstromsammlerplatten 48b, 48c und 48d angeordneten
Stromsammlerelemente 66, 68 und 70 fließenden lokalisierten
Ströme
zu messen. Beispiele für die
Stromsensoren 74 bis 78 können Hall-Elemente oder andere
Stromsensoren entsprechend der ersten Ausführungsform sein.
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Der
durch das erste Stromsammlerelement 66 fließende elektrische
Strom entspricht dem Lufteinlaßstrom
Ia•ein
der MEA 12A und deshalb ist der erste Stromsensor 74 in
der Lage, den für
die Trocknungscharakteristik der Brennstoffzelle 12 kennzeichnenden
Lufteinlaßstrom
Ia•ein
zu ermitteln. Gleichermaßen
entspricht der durch das zweite Stromsammlerelement 68 fließende elektrische Strom
dem Wasserstoffeinlaßstrom
Ih•ein,
und deshalb ist der zweite Stromsammler 76 in der Lage,
den für
die Trocknungscharakteristik der Brennstoffzelle kennzeichnenden
Wasserstoffeinlaßstrom
Ih•ein
zu ermitteln. Zusätzlich
entspricht der durch das dritte Stromsammlerelement 70 fließende elektrische Strom
dem für
die Benetzungscharakteristik und die Wasserstoffkonzentration in
der Brennstoffzelle 12 kennzeichnenden Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus, und
deshalb ist der dritte Stromsensor 78 in der Lage, den
Wasserstoffauslaßstrom
Ih•aus
zu ermitteln.
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Des
weiteren bilden die erste Hilfsstromsammlerplatte 48b,
das erste Stromsammlerelement 66 und der erste Stromsensor 74,
die zweite Hilfsstromsammlerplatte 48c, das zweite Stromsammlerelement 68 und
der zweite Stromsensor 76, sowie die dritte Hilfsstromsammlerplatte 58d,
das dritte Stromsammlerelement 70 und der dritte Stromsensor 78 jeweils
Strommeßvorrichtungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem 100 der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
besteht unter Benutzung der Strommeßvorrichtungen mit der vorstehend
geschilderten Anordnung die Möglichkeit für den Steuerabschnitt 18,
die Faktoren für
den Leistungsabfall der Brennstoffzellen zu diagnostizieren wie
bei der ersten Ausführungsform.
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Des
weiteren werden mit dem Brennstoffzellensystem 100 der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
lokalisierte Ströme
veranlaßt,
von verschiedenen lokalen Bereichen zur Brennstoffzelle 12 zu
fließen,
um deren verschiedene Betriebscharakteristika zu spezifizieren und
dadurch den Steuerabschnitt 18 zu befähigen, in verläßlicher
Weise die besonderen Betriebscharakteristika der Brennstoffzelle zu
diagnostizieren, was eine in hohem Maße verbesserte Betriebsweise
der Brennstoffzelle 12 zur Folge hat.
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(Dritte Ausführungsform)
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Als
nächstes
wird eine dritte Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die 17 bis 19 beschrieben.
Das Brennstoffzellensystem nach der dritten Ausführungsform unterscheidet sich
von der ersten und der zweiten Ausführungsform hinsichtlich der
grundlegenden Reihenfolge bei der Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts
innerhalb der Brennstoffzelle 12 in dem Falle, daß die Brennstoffzelle 12 einen
trockenen Bereich aufweist.
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Die 17 zeigt eine Veränderung des Ausgangsstroms
IT in Fällen,
in welchen ein Feuchtigkeitszustand in einem den zum Trocknen neigenden Bereich
B (siehe 3) der Brennstoffzelle 12 einschließenden Bereich
in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaßabschnitt 50a Schwankungen
unterworfen ist. Bei dem in 17 gezeigten
Beispiel diagnostiziert der Steuerabschnitt 18, daß sich das
Innere der Brennstoffzelle in einem nassen Zustand befindet, wenn
der Ausgangsstrom IT einen gegebenen Bezugswert
I1 überschreitet.
Im Gegensatz dazu diagnostiziert der Steuerabschnitt 18,
daß sich
das Innere der Brennstoffzelle 12 in einem trockenen Zustand befindet,
wenn der elektrische Strom IT geringer ist als
der gegebene Bezugswert I1. Bei einem trockenen
Zustand im Inneren der Brennstoffzelle 12 ist der Ausgangsstrom
IT der Brennstoffzelle um so kleiner, je
geringer der Feuchtigkeitsgehalt im Inneren der Brennstoffzelle 12 ist.
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Die 18 zeigt eine Veränderung des Differenzstroms
I(II1), das ist die Differenz zwischen dem Ausgangsstrom
IT und dem Bezugsstrom I1 in
einem Fall, in welchem der Feuchtigkeitsgehalt in dem den zum Trocknenden
neigenden Bereich B (siehe 3) der
Brennstoffzelle 12 einschließenden Bereich in enger Nachbarschaft
zum Lufteinlaßabschnitt 50a Schwankungen
unterworfen ist. Wie in 18 gezeigt,
steigt der Differenzstrom I über
den Wert Null in dem Fall, daß sich
das Innere der Brennstoffzelle 12 in einem nassen Zustand
befindet, und er sinkt unter den Wert Null, wenn sich das Innere
der Brennstoffzelle 12 in einem trockenen Zustand befindet.
Wie oben dargelegt, kann der Feuchtigkeitszustand im Inneren der
Brennstoffzelle 12 in Abhängigkeit von der Größe des Ausgangsstroms
IT beurteilt werden, weil der Ausgangs strom
IT der Brennstoffzelle in Abhängigkeit
vom Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 12 schwankt.
Das heißt,
in Fällen, in
welchen der Ausgangsstrom IT in den Minusbereich
absinkt, ist ein Feuchtigkeitsmangel im Inneren der Brennstoffzelle 12 um
so größer, je
größer der
absolute Wert des Ausgangsstroms IT ist,
und es kann somit beurteilt werden, daß sich die Elektrolytmembran
in einem weiter getrockneten Zustand befindet.
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Es
wird nun die durch das Brennstoffzellensystem der derzeit betrachteten
Ausführungsform durchgeführte Feuchtigkeitssteuerung
unter Bezugnahme auf das in 14 gezeigte
Brennstoffzellensystem 100 und das in 19 gezeigte Flußdiagramm beschrieben.
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Zunächst mißt beim
Schritt S40 der Stromsensor den lokalisierten Strom I im trockenen
Bereich B (siehe 3), um dem Steuerabschnitt 18 zu
ermöglichen,
beim Schritt S42 den Differenzstrom I zu berechnen, der eine Differenz
zwischen dem lokalisierten Strom I und dem Bezugsstrom I1 Beim folgenden Schritt S44 wird beurteilt,
ob der Differenzstrom I geringer ist als Null. Falls beurteilt wird,
daß der
Differenzstrom I den Wert Null überschreitet,
kann angenommen werden, daß sich
das Innere der Brennstoffzelle 12 in einem nassen Zustand
befindet und deshalb unterbricht der Steuerabschnitt 18 die
Tätigkeit
des Befeuchters 28, um die Befeuchtung der der Brennstoffzelle 12 zuzuführenden
Luft auf Null zu bringen. Im Gegensatz dazu kann, wenn beurteilt wird,
daß der
Differenzstrom I geringer ist als Null, angenommen werden, daß das Innere
der Brennstoffzelle 12 sich in einem trockenen Zustand
befindet und beim Schritt S48 aktiviert der Steuerabschnitt 18 den
Befeuchter 28, um die Menge des Befeuchtungswassers auf
ein Niveau K1×I
zu bringen. K1 ist ein Koeffizient zur Berechnung der Menge des
Befeuchtungswassers.
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Wie
oben dargelegt, hängt
die Steuerung der Menge des zu befeuchtenden Wassers aufgrund der Schätzung des
Trocknungszustands der Brennstoffzelle 12 von der Größe des Differentialstroms
I ab, d.h. die Differenz zwischen dem lokalisierten Strom I der
Brennstoffzelle 12 und dem Bezugsstrom I1 ermöglicht einen
angemessenen Feuchtigkeitszustand der Brennstoffzelle 12.
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Mit
dem Brennstoffzellensystem der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform
wird es in Abhängigkeit
von der Differenz zwischen dem durch die Strommeßvorrichtung gemessenen Stromwert
und dem vorher bestimmten, gegebenen Stromwert möglich, den Grad des Trocknungszustands
innerhalb der Brennstoffzelle 12 zu diagnostizieren.
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Mit
dem Brennstoffzellensystem der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform
wird ein lokalisierter Strom, der dem lokalisierten Bereich zugeordnet
ist, in dem die Brennstoffzelle 12 dazu neigt, einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt
aufzuweisen, und der für
die Benetzungscharakteristik in Bezug den Wasserstoffausgangsabschnitt 52b des
Wasserstofftrenners kennzeichnend ist, benutzt, um einen Differenzstrom
zu berechnen, auf dessen Basis die Menge des befeuchtenden Wassers
bestimmt wird, die es ermöglicht,
die Brennstoffzelle 12 in einem optimalen Feuchtigkeitszustand
zu halten, um einen hochwertigen Betrieb zu ermöglichen.
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(Vierte Ausführungsform)
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Als
nächstes
wird ein Brennstoffzellensystem nach einer vierten Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die 20 bis 22 beschrieben. Die
vierte Ausführungsform
unterscheidet sich von den oben beschriebenen Ausführungsformen
hinsichtlich der grundlegenden Reihenfolge der Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts
innerhalb der Brennstoffzelle 12 beim Auftreten eines Zustandes
mit übermäßiger Feuchtigkeit
innerhalb der Brennstoffzelle 12.
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Die 20 zeigt Veränderungen
des Ausgangsstroms IT in Fällen, bei
welchen der Feuchtigkeitsgehalt in dem dem Wasserstoffauslaßabschnitt 52b eng
benachbarten, den Bereich D (siehe 4) einschließenden Bereich
schwankt, wo die Brennstoffzelle 12 dazu neigt, einem übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt
ausgesetzt zu werden. Wie in 21 gezeigt
ist, überschreitet
beim Auftreten eines geeigneten Feuchtigkeitsgehalts innerhalb der
Brennstoffzelle 12 der Differenzstrom I einen Wert Null,
und beim Auftreten des Zustandes mit übermäßiger Feuchtigkeit innerhalb
der Brennstoffzelle 12 sinkt der Differenzstrom I unter
Null. Wie oben dargelegt wurde, kann der Grad der Befeuchtung innerhalb
der Brennstoffzelle 12 in Abhängigkeit von der Größe des Differenzstroms
I geschätzt
werden, weil der Ausgangsstrom IT der Brennstoffzelle 12 in
Abhängigkeit vom
Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 12 schwankt.
D.h. in Fällen,
bei welchen der Differenzstrom bei Minus verbleibt, wird das in
der Brennstoffzelle 12 auftretende Übermaß des Feuchtigkeitsgehalts
um so größer sein,
je größer der
absolute Wert des Differentialstroms I ist.
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Es
wird nun unter Bezugnahme auf das in 14 gezeigte
Brennstoffzellensystem 100 und ein in 22 gezeigtes Flußdiagramm die Feuchtigkeitssteuerung
beschrieben, die durch das Brennstoffzellensystem nach der hier
betrachteten Ausführungsform
durchgeführt
wird.
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Zunächst mißt beim
Schritt S50 der Stromsensor den lokalisierten Strom als Ausgangsstrom
IT im getrockneten Bereich D (siehe 4),
um dem Steuerabschnitt 18 zu ermöglichen, im Schritt S22 den
Differenzstrom I zu berechnen, der eine Differenz ist zwischen dem
lokalisierten Strom IT und dem Bezugsstrom
I2. Beim folgenden Schritt S54 wird die Diagnose
durchgeführt,
ob der Differenzstrom I geringer ist als Null. Falls diagnostiziert
wird, daß der
Differenzstrom ΔI
Null überschreitet,
kann angenommen werden, daß das
Innere der Brennstoffzelle 12 sich in einem geeigneten
Feuchtigkeitszustand befindet. und deshalb setzt der Steuerabschnitt 18 die Steigerungsrate
des Durchflusses des der Brennstoffzelle 12 zuzuführenden
Wasserstoffs auf Null. Im Gegensatz dazu kann, wenn diagnostiziert
wird, daß der
Differenzstrom ΔI
geringer ist als Null, angenommen werden, daß sich das Innere der Brennstoffzelle 12 in
einem Zustand mit übermäßiger Feuchtigkeit befindet,
und beim Schritt S58 steuert der Steuerabschnitt 18 die
Steigerungsrate für
den Wasserstoffdurchfluß auf
einen Wert K2×I.
Dabei ist K2 ein Koeffizient zur Berechnung der Steigerung des Wasserstoffdurchflusses.
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Beim
folgenden Schritt S59 steuert der Steuerabschnitt 18 den
Durchfluß des
der Brennstoffzelle 12 zuzuführenden Wasserstoffs auf einen
Wert Wasserstoffbedarfsdurchfluß×(1+Wasserstoffdurchflußsteigerungsrate).
Der Wasserstoffbedarfsdurchfluß ist
eine Wasserstoffdurchfluß der
bei der Brennstoffzelle 12 erforderlich ist, um die gewünschte elektrische
Leistung abzugeben. Deshalb ermöglicht
ein übermäßiger Zufluß von Wasserstoff
zur Brennstoffzelle 12 einer Strömung von Wasserstoffgas Feuchtigkeit
aus dem in einem Zustand mit übermäßiger Feuchtigkeit
befindlichen Bereich D auszutreiben.
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Wie
oben dargelegt, befähigt
die Abschätzung
des Zustandes mit übermäßiger Feuchtigkeit
im Inneren der Brennstoffzelle 12 in Abhängigkeit
von der Größe des Differenzstroms ΔI, d.h. der
Differenz zwischen dem lokalisierten Strom IT der
Brennstoffzelle 12 und dem Bezugsstrom I2,
zur Steuerung des Durchflusses des zuzuführenden Wasserstoffs die Brennstoffzelle 12,
in einem weiter geeigneten Feuchtigkeitszustand zu bleiben.
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Mit
dem Brennstoffzellensystem der hier betrachteten Ausführungsform
wird ein lokalisierter Strom, der dem lokalen Bereich zugeordnet
ist, in dem die Brennstoffzelle 12 dazu neigt, einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt
aufzuweisen, der kennzeichnend ist für die Benetzungscharakteristik
in Bezug auf den Wasserstoffauslaßabschnitt 52b des Wasserstofftrenners,
benutzt, den Differenzstrom zu berechnen, auf dessen Basis der Durchfluß des der Brennstoffzelle 12 zuzuführenden
Wasserstoffs genau bestimmt wird, so daß die Brennstoffzelle 12 befähigt wird,
eine optimalen Durchfluß des
Wasserstoffs aufrechtzuerhalten, um einen hochwertigen Betrieb durchzuführen.
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(Fünfte Ausführungsform)
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Als
nächstes
wird ein Brennstoffzellensystem nach einer fünften Ausführungsform unter Bezugnahme
auf 23 beschrieben. Die fünfte Ausführungsform
unterscheidet sich von den oben beschriebenen Ausführungsformen
dadurch, daß der Steuerabschnitt 18 des
in 14 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 einen
Feuchtigkeitszustand der Brennstoffzelle 12 auf der Basis
eines Widerstandswertes im Inneren der Brennstoffzelle 12 diagnostiziert.
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Die 23 zeigt die Beziehung zwischen einem lokalisierten
Innenwiderstand der Brennstoffzelle 12 und dem inneren
Feuchtigkeitsgehalt. Wie in 23 gezeigt,
besteht die Beziehung darin, daß mit der
Zunahme des inneren Feuchtigkeitsgehalts innerhalb der Brennstoffzelle 12 der
innere Widerstand der Brennstoffzelle 12 in einem gewissen
Ausmaß abnimmt
und mit der Abnahme des inneren Feuchtigkeitsgehalts der innere
Widerstand zunimmt.
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Demzufolge
ist der Steuerabschnitt 18 in Abhängigkeit von lokalisierten
Strömen,
die den Bereichen B und C (siehe 3 und 4)
zugeordnet sind, wo die Brennstoffzelle 12 dazu neigt,
auszutrocknen, und die durch die Sensoren 74, 76 gemessen
werden, und von Zellenspannungen, die durch den Zellenmonitor 16 gemessen
werden, in der Lage, den lokalisierten inneren Widerstand R (= Zellenspannung/lokalisierten
Strom) für
die Bereiche der Brennstoffzelle 12 zu berechnen, die dazu
neigen, auszutrocknen, und in Abhängigkeit von einem solchen
lokalisierten, internen Widerstand, einen Trocknungszustand innerhalb
der Brennstoffzelle zu diagnostizieren. Es ist einzusehen, daß das Brennstoffzellensystem 10 nach
der ersten Ausführungsform entsprechend
abgewandelt werden kann, um die durch die Stromsensoren 54, 58 gemessenen
lokalisierten Ströme
zur Berechnung der lokalisierten, inneren Widerstände zu benützen, wie
beim in 14 gezeigten Brennstoffzellensystem 100.
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Insbesondere
diagnostiziert der Steuerabschnitt 18, daß das Innere
der Brennstoffzelle 12 einen trockenen Zustand aufweist,
falls der lokalisierte, innere Widerstand R geringer ist als der
lokalisierte, innere Bezugswiderstand, der vorher festgelegt wird. Falls
die Diagnose erfolgt, daß sich
das Innere der Brennstoffzelle 12 in einem trockenen Zustand
befindet, kann angenommen werden, daß die Befeuchtungsrate des
der Brennstoffzelle zuzuführenden Wasserstoff
niedrig ist, und der Steuerabschnitt 18 führt eine
Aktion aus, um den Befeuchter 36 so zu betätigen, daß die Befeuchtungsrate
des Wasserstoffs erhöht
wird.
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In ähnlicher
Weise werden bei den in den 10 bzw. 14 gezeigten
Brennstoffzellensystemen 10 und 100 lokalisierte
Ströme,
die beide dem Bereich D (siehe 4) zugeordnet
sind, wo die Brennstoffzelle 12 dazu neigt, eine übermäßige Feuchtigkeit
aufzuweisen, durch die Stromsensoren 62, 78 gemessen
und die Zellenspannungen werden durch den Zellenmonitor 16 gemessen.
Damit ist der Steuerabschnitt 18 in der Lage, jeden lokalisierten, internen
Widerstand R in dem lokalisierten Bereich der Brennstoffzelle 12 zu
berechnen, der dem Bereich D entspricht, um in Abhängigkeit
von einem solchen lokalisierten, internen Widerstand R zu diagnostizieren,
daß ein
Zustand mit übermäßiger Feuchtigkeit
innerhalb der Brennstoffzelle 12 auftritt.
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Insbesondere
diagnostiziert der Steuerabschnitt 18, daß sich das
Innere der Brennstoffzelle 12 in einem Zustand mit übermäßiger Feuchtigkeit
befindet. wenn der lokalisierte innere Widerstand R einen vorher
festgelegten lokalisierten inneren Bezugswiderstand überschreitet.
Wenn die Diagnose erfolgt, daß sich
das Innere der Brennstoffzelle 12 in einem Zustand mit übermäßiger Feuchtigkeit
befindet, kann angenommen werden, daß die Befeuchtungsraten für Luft und
Wasserstoff, die der Brennstoffzelle 12 zuzuführen sind,
zu hoch sind, oder daß aufgrund
der Reduzierung des Wasserstoffdurchflusses die Fähigkeit
gesunken ist, Wasser zu entfernen, und der Steuerabschnitt 18 führt die
Aktion aus, um die Befeuchtungsrate von Luft und Wasserstoff bei den
Befeuchtern 28, 36 zu senken, während der Wasserstoffdurchfluß erhöht wird.
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Bei
einer solchen, oben erwähnten
Anordnung ist das Brennstoffzellensystem auch in der Lage, in geeigneter
Weise die Faktoren zu diagnostizieren, die für einen Leistungsabfall der
Brennstoffzelle 12 ursächlich
sind. Des weiteren können
die Faktoren für
den Leistungsabfall der Brennstoffzelle 12 spezifiziert
werden und demgemäß kann eine
geeignete Steuerung entsprechend dem spezifizierten Leistungsabfallfaktor
erreicht werden.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform
wird von einem dem getrockneten Bereich der Brennstoffzelle 12 zugeordneten
lokalisierten Strom und der Zellenspannung ein lokalisierter innerer
Widerstand R erhalten, der es der Diagnosevorrichtung erlaubt, genau
den getrockneten Zustand der Brennstoffzelle 12 in einer hoch
verläßlichen
Weise zu diagnostizieren.
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(Sechste Ausführungsform)
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Als
nächstes
wird unter Bezugnahme auf die 24 bis 26 eine
sechste Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung beschrieben. Die sechste Ausführungsform
unterscheidet sich von den oben beschriebenen Ausführungsformen
dadurch, daß der der
Grad des Trocknungszustands der Brennstoffzelle auf der Basis eines
Widerstandswertes von der Innenseite der Brennstoffzelle 12 diagnostiziert
wird.
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Die 24 zeigt die Veränderung eine lokalisierten
Widerstandswertes R in Fällen,
bei welchen der Feuchtigkeitsgehalt im Bereich B (siehe 3)
in der Nähe
des Lufteinlaßabschnitts 50a schwankt,
wo die Brennstoffzelle 12 die Neigung besitzt, zu trocknen.
Bei dem in 24 gezeigten Beispiel wird, wenn
der lokalisierte innere Widerstand R den inneren Bezugswiderstand
R1 übersteigt,
die Diagnose getroffen, daß sich
die Innenseite der Brennstoffzelle in einem getrockneten Zustand
befindet, und falls der lokalisierte innere Widerstand R geringer
ist als der innere Bezugswiderstand R1,
erfolgt die Diagnose, daß das
Innere der Brennstoffzelle 12 sich in einem nassen Zustand
befindet. In Gegenwart des getrockneten Zustands in der Brennstoffzelle 12 wird
der lokalisierte innere Widerstand R der Brennstoffzelle 12 um so
größer sein,
je geringer der Feuchtigkeitsgehalt der Innenseite der Brennstoffzelle
ist.
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Die 25 zeigt die Veränderung des Differenzwiderstands ΔR (R-R1), d.h. der Differenz zwischen dem lokalisierten
inneren Widerstand R und dem inneren Bezugswiderstand R1 in
einem Falle, in dem der Feuchtigkeitsgehalt schwankt in dem den Bereich
B einschließenden
Bereich in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaßabschnitt 50a, wo
die Brennstoffzelle 12 dazu neigt, trocken zu sein. Wie
in 25 gezeigt, fällt
der Differenzwiderstand ΔR
unter den Wert Null, wenn der Fall eintritt, daß die Innenseite der Brennstoffzelle 12 sich
im nassen Zustand befindet„ und
der Differenzwiderstand R übersteigt
den Wert Null, wenn der Fall eintritt, daß die Innenseite der Brennstoffzelle 12 sich
im getrockneten Zustand befindet. Wie oben dargelegt, kann weiterhin,
weil der lokalisierte innere Widerstand R der Brennstoffzelle 12 in
Abhängigkeit
vom Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle 12 schwankt,
der Grad des Feuchtigkeitsgehalts innerhalb der Brennstoffzelle 12 in
Abhängigkeit
von der Größe des Differenzwiderstands ΔR geschätzt werden.
Das heißt, in
Fällen,
bei welchen der Differenzwiderstand RΔ plus ist, wird der Feuchtigkeitsmangel
innerhalb der Brennstoffzelle 12 um so größer sein,
je größer der absolute
Wert des Differenzwiderstands RΔ ist,
und somit kann die Diagnose gestellt werden, daß die Brennstoffzelle 12 in
einem weiterhin trockenen Zustand bleibt.
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Es
wird nun unter Bezugnahme auf das in 14 gezeigter
Brennstoffzellensystem 100 und das in 26 gezeigte Flussdiagramme die Feuchtigkeitssteuerung
beschrieben, die durch das Brennstoffzellensystem nach der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform
ausgeführt
wird.
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Zunächst mißt beim
Schritt S60 der Stromsensor den lokalisierten Strom I im getrockneten
Bereich B (siehe 3) und beim nächsten Schritt
S62 mißt
der Zellenmonitor 16 die Zellenspannung, worauf im folgenden
Schritt S64 die Zellenspannung durch den lokalisierten Strom dividiert
wird, um den lokalisierten inneren Widerstand R zu berechnen. Im nächsten Schritt
S66 wird der Differenzwiderstand aus einer Differenz zwischen dem
lokalisierten Widerstand R und dem lokalen inneren Bezugswiderstand
R1 berechnet.
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Beim
folgenden Schritt S68 erfolgt die Diagnose, ob der Differenzwiderstand ΔR den Wert
Null überschreitet.
Als Ergebnis davon kann angenommen werden, daß sich die Innenseite der Brennstoffzelle 12 in
einem nassen Zustand befindet, wenn diagnostiziert wird, daß der Differenzwiderstand ΔR geringer
ist als Null. und deshalb inaktiviert der Steuerabschnitt 18 den
Befeuchter 28 um die Befeuchtungsrate der der Brennstoffzelle 12 zuzuführenden Luft
auf Null zu setzen. Im Gegensatz dazu wird, wenn diagnostiziert
wird, daß der
Differenzwiderstand ΔR
Null überschreitet,
angenommen, daß die Innenseite
der Brennstoffzelle 12 sich im getrockneten Zustand befindet
und beim Schritt S72 steuert der Steuerabschnitt 18 die
Menge des Befeuchtungswassers, die dem Befeuchter 28 zugeführt wird,
auf einen Wert K3×R.
Hier ist K3 ein Koeffizient zur Berechnung der Menge des Befeuchtungswassers.
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Wie
oben dargelegt, kann bei der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform
der Widerstandswert, der dem speziellen lokalen Bereich zugeordnet ist,
in dem die Brennstoffzelle 12 dazu neigt, zu trocknen,
berechnet werden, um dem Steuerabschnitt 18 zu ermöglichen,
den Trocknungszustand der Brennstoffzelle 12 zu diagnostizieren.
Dies befähigt
die Diagnosevorrichtung 18 präzise den Trockungszustand der
Brennstoffzelle 12 zu diagnostizieren. Die Abschätzung des
Trocknungszustands im Inneren der Brennstoffzelle 12 in
Abhängigkeit
vom Differenzwiderstand ΔR
zwischen dem lokalisierten inneren Widerstand R und dem inneren
Bezugswiderstand R1 zur Steuerung der Menge
des Befeuchtungswassers befähigt
auch die Brennstoffzelle 12, weiter in einem geeigneten
Feuchtigkeitszustand zu bleiben.
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(Siebte Ausführungsform)
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Als
nächstes
wird unter Bezugnahme auf die 27 bis 29 ein
Brennstoffzellensystem nach einer siebten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung beschrieben. Die siebte Ausführungsform unterscheidet sich
von den oben beschriebenen Ausführungsformen
dadurch, daß der
Grad der übermäßigen Feuchtigkeit
der Brennstoffzelle 12 auf der Basis eines Widerstandswertes
der Innenseite der Brennstoffzelle 12 diagnostiziert wird,
um dadurch den Feuchtigkeitsgehalt im Inneren des Brennstoffzelle 12 zu
steuern.
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Die 27 zeigt die Veränderung eines lokalisierten
Widerstandswertes R in Fällen,
in denen der Feuchtigkeitsgehalt schwankt in dem Bereich D (siehe 4),
in der Nähe
des Wasserstoffauslaßabschnitts 52b (siehe 4),
wo die Brennstoffzelle 12 dazu neigt, eine übermäßige Feuchtigkeit
aufzuweisen. In einem in 27 gezeigten
Beispiel wird dann, wenn der lokalisierte innere Widerstand R der
Brennstoffzelle 12 geringer wird als der innere Bezugswiderstand
R2, die Diagnose gestellt, daß die Innenseite
der Brennstoffzelle 12 einen geeigneten Feuchtigkeitsgehalt
aufweist, und wenn der lokalisierte innere Widerstand R den inneren
Bezugswiderstand R2 übersteigt, dann wird die Diagnose
gestellt, daß die Innenseite
der Brennstoffzelle sich in einem Zustand übermäßiger Feuchtigkeit befindet.
In Gegenwart des Zustandes übermäßiger Feuchtigkeit
im Inneren der Brennstoffzelle 12 wird der innere Widerstand
R der Brennstoffzelle 12 um so größer sein, je größer der
Grad des Feuchtigkeitsgehalts im Inneren der Brennstoffzelle 12 ist.
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Die 28 zeigt die Veränderung des Differenzwiderstands ΔR (R-R2), d.h. der Differenz zwischen dem lokalisierten
inneren Widerstand R und dem inneren Bezugswiderstand R2 in
Fällen,
bei welchen der Feuchtigkeitsgehalt schwankt in dem den Bereich
D umfassenden Bereich in enger Nachbarschaft des Wasserstoffauslaßabschnitts 52b,
wo die Brennstoffzelle 12 die Neigung besitzt, einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt
aufzuweisen. Wie in 28 gezeigt, fällt der
Differenzwiderstand R unter den Wert Null, wenn der Fall eintritt,
daß die
Innenseite der Brennstoffzelle 12 einen geeigneten Feuchtigkeitszustand
aufweist, und in dem Fall, daß das
Innere der Brennstoffzelle 12 einen übermäßig feuchten Zustand aufweist, überschreitet
der Differenzwiderstand ΔR
den Wert Null. Wie oben dargelegt, kann weiter, weil der lokalisierte
innere Widerstand R der Brennstoffzelle 12 in Abhängigkeit
vom Feuchtigkeitsgehalt im Inneren der Brennstoffzelle 12 schwankt,
der Grad des Feuchtigkeitsgehalts im Inneren der Brennstoffzelle 12 in
Abhängigkeit
von der Größe des Differenzwiderstands
R abgeschätzt
werden. Das heißt,
es kann diagnostiziert werden, daß in den Fällen, in denen der Differenzwiderstand
plus ist, der Grad des übermäßigen Feuchtigkeitsgehalts
innerhalb der Brennstoffzelle 12 um so größer ist,
je größer der
absolute Wert des Differenzwiderstands ΔR ist.
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Es
wird nun unter Bezugnahme auf das in 29 gezeigte
Flußdiagramm
die Feuchtigkeitssteuerung beschrieben, die durch den Steuerabschnitt
der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
ausgeführt
wird.
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Zunächst mißt beim
Schritt S80 der Stromsensor den lokalisierten Strom I in dem Bereich
D (siehe 4). In dem die Neigung besteht,
daß er
einem übermäßig feuchten
Zustand ausgesetzt wird, und im nächsten Schritt S82 mißt der Zellenmonitor 16 die
Zellenspannung, worauf im folgenden Schritt S84 die Zellenspannung
durch den lokalisierten Strom dividiert wird, um den lokalisierten
inneren Widerstand R zu berechnen. Im folgenden Schritt S86 wird
der Differenzwiderstand ΔR
aus der Differenz zwischen dem lokalisierten internen Widerstand
R und dem inneren Bezugswiderstand R berechnet.
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Beim
nächsten
Schritt S88 wird beurteilt, ob der Differenzwiderstand R den Wert
Null überschreitet,
mit dem Ergebnis, daß,
falls festgestellt wird, daß der
Differenzwiderstand R geringer ist als Null, angenommen werden kann,
daß im
Inneren der Brennstoffzelle 12 ein geeigneter Feuchtigkeitszustand
vorhanden ist, worauf im folgenden Schritt S90 der Steuerabschnitt 18 die
Steigerungsrate des Wasserstoffdurchflusses auf Null gesetzt wird.
Im Gegensatz dazu kann, falls festgestellt wird, daß der Differenzwiderstand
R Null übersteigt,
angenommen werden, daß das
Innere der Brennstoffzelle 12 sich in einem Zustand übermäßiger Feuchtigkeit
befindet, und im Schritt S92 steuert der Steuerabschnitt 18 die
Steigerungsrate des Wasserstoffdurchflusses so, daß sie bei
einem Wert K4×R.
Hier ist K4 ein Koeffizient zur Berechnung der Steigerungsrate für den Wasserstoffdurchfluß.
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Beim
folgenden Schritt S94 steuert der Steuerabschnitt 18 den
Durchfluß des
der Brennstoffzelle 12 zuzuführenden Wasserstoffs auf einen
Wert Wasserstoffbedarfsdurchfluß×(1+Wasserstoffdurchflußsteigerungsrate).
Der Wasserstoffbedarfsdurchfluß ist
ein Wasserstoffdurchfluß der
bei der Brennstoffzelle 12 erforderlich ist, um die gewünschte elektrische
Leistung abzugeben. Deshalb ermöglicht
ein übermäßiger Zufluß von Wasserstoff
zur Brennstoffzelle 12 einer Strömung von Wasserstoffgas, Feuchtigkeit
aus dem in einem Zustand mit übermäßiger Feuchtigkeit
befindlichen Bereich D auszutreiben.
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Wie
oben dargelegt, kann bei dem Brennstoffzellensystem der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
der dem lokalisierten Bereich, in dem die Brennstoffzelle 12 dazu
neigt, einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt
aufzuweisen, zugeordnete lokalisierte innere Widerstand auf der
Basis eines lokalisierten Stroms berechnet werden, der kennzeichnend
ist für
die Benetzungscharakteristik der Brennstoffzelle, um dem Steuerabschnitt
zu gestatten, den Zustand übermäßiger Feuchtigkeit
der Brennstoffzelle zu diagnostizieren. Dies befähigt die Diagnosevorrichtung
präzise
den Zustand übermäßiger Feuchtigkeit
der Brennstoffzelle zu diagnostizieren, wodurch die Steuerung des
Durchflusses des der Brennstoffzelle zuzuführenden Wasserstoffs auf einen
optimalen Wert ermöglicht
wird.
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Durch
die Abschätzung
des Zustandes übermäßiger Befeuchtung
im Inneren der Brennstoffzelle 12 in Abhängigkeit
vom Differenzwiderstand R zwischen dem lokalisierten inneren Widerstand
R und dem inneren Bezugswiderstand R2 zur
Steuerung des Wasserstoffdurchflusses wird die Brennstoffzelle befähigt, weiter
in einem geeigneten Feuchtigkeitszustands zu verbleiben.
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(Achte Ausführungsform)
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Als
nächstes
werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen 30 bis 38 ein
Brennstoffzellensystem nach einer achten Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung und ein zugeordnetes Verfahren beschrieben.
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Die 30 ist eine typische Ansicht eines Brennstoffzellensystems 200 der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
für den
Gebrauch in einem elektrischen Fahrzeug.
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Die
gegenwärtig
betrachtete Ausführungsform
unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, daß das Brennstoffzellensystem 200 eine Durchschnittsstrommeßeinheit 201 einschließt, die
aus einem (nicht gezeigten) Stromsensor zum Messen eines Durchschnittsstromwertes
besteht, eine Brennstoffzelle 202, einen Steuerabschnitt 204 und
einen Temperaturfühler 206,
der auf der Brennstoffzelle 202 befestigt ist, um eine
Brennstoffzellentemperatur zu ermitteln, wobei in den Steuerabschnitt 204 die
Zellenspannungen, der Betriebsstrom der Brennstoffzelle 202 und
ein vom Temperaturfühler 206 ermitteltes
Brennstoffzellentemperatursignal eingegeben wird.
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Der
Steuerabschnitt 204 schließt eine Begrenzungssteuerung
für die
Ausgangsleistung ein, die aus einem elektronischen Steuereinheit
(ECU) besteht, die einen Mikrocomputer einschließt, der eine CPU, ein ROM,
ein RAM und eine periphere Schaltung umfaßt. Die Begrenzungssteuerung 204 für die Ausgangsleistung
führt eine
Berechnung durch auf der Basis der Zellenspannungssignale, des Betriebsstromsignals
und des Brennstoffzellentemperatursignals, um Steuerungssignale
zu erzeugen, die der Luftpumpe 20, den Befeuchtern 28, 36,
dem Luftdruckregelventil 34, dem Wasserstoffdruckregelventil 38 und
der Wasserstoffpumpe 42 zur Steuerung dieser Komponenten
in einer nachfolgend noch beschriebenen Weise zugeführt werden.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem 200 der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
dient die Begrenzungssteuerung 204 für den Leistungsausgang als
eine auf die von den nachfolgend noch detailliert beschriebenen
lokalisierten Stromsensoren gelieferten lokalisierten Ströme ansprechende
Steuervorrichtung zur Begrenzung des Leistungsausgangs der Brennstoffzelle 202.
Die Brennstoffzelle 202 ist auch geeignet, elektrische
Energie an eine elektrische Ausrüstung,
wie eine elektrische Last 14 und an eine (nicht gezeigte)
Sekundärbatterie
usw. zu liefern. Wenn sie bei einem elektrischen Fahrzeug angewandt
wird, umfaßt
die elektrische Last 14 einen Elektromotor, der als eine
Fahrzeugantriebsquelle dient.
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Die 31 ist eine perspektivische Ansicht, die eine
Zelleneinheit 210 zeigt, die die Brennstoffzelle 202 bildet.
Die Zelleneinheit 210 besteht aus einer MEA (Membran-Elektroden-Anordnung) 212,
die eine Elektrolytmembran einschließt und ein Paar von Elektroden,
die an beiden Seiten der Elektrolytmembran ausgebildet sind, wobei
ein Lufttrenner 214 an einer Seite der MEA 212 und
ein Wasserstofftrenner 216 an der anderen Seite der MEA 212 angeordnet ist.
Weiterhin ist auf der Oberfläche
des Wasserstofftrenners 216 eine Stromsammlerplatte 218 angeordnet,
die als negativer Anschluß dient.
In diesem Zusammenhang dient der Lufttrenner 214 als Stromsammlerplatte
mit einem positiven Anschluß.
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Wie
am besten aus 31 ersichtlich ist, besteht
die Stromsammlerplatte 218 aus einem Isolatorrahmen 219,
der mit einer Hauptstromsammlerplatte 220 ausgestattet
ist, sowie einer ersten und einer zweiten Hilfsstromsammlerplatte 222, 224,
die einem ersten und einem zweiten lokalen Bereich der Elektrolytmembran
der MEA 212 zugeordnet sind. Eine Stromsammlerverdrahtung 226 erstreckt
sich zwischen der Hauptstromsammlerplatte 220 und der ersten
Hilfsstromsammlerplatte 222, und ein erster Stromsensor 228 ist
auf der ersten Stromsammlerverdrahtung 226 angeordnet,
um einen ersten lokalisierten, durch die erste Stromsammlerverdrahtung 226 fließenden Strom
zu messen. In gleicher Weise erstreckt sich zwischen der Hauptstromsammlerplatte 220 und
der zweiten Hilfsstromsammlerplatte 224 eine Stromsammlerverdrahtung 230,
und ein zweiter Stromsensor 231 ist auf der zweiten Stromsammlerverdrahtung 230 angeordnet,
um einen zweiten lokalisierten Strom zu messen, der durch die zweite Stromsammlerverdrahtung
fließt.
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Die 32 ist eine transparente Ansicht des Lufttrenners 214 von
der rechten Seite der 31 aus gesehen. Der Lufttrenner 214 besteht
aus einem Trennerkörper 240,
der mit einem Lufteinlaßabschnitt 242 ausgebildet
ist, der geeignet ist, mit dem Luftkanal 22 der Brennstoffzelle 202 (siehe 30) verbunden zu werden, mit einem Luftauslaßabschnitt 244, der
mit dem Luftauslaßkanal 32 der
Brennstoffzelle 202 (siehe 30)
verbunden ist, und mit einem Luftkanal 246, der sich zwischen
dem Lufteinlaßabschnitt 242 und
dem Luftauslaßabschnitt 244 erstreckt,
um zwischen ihnen eine Luftströmung
zu ermöglichen.
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Wie
in den 31 und 32 gezeigt
ist, besitzt die einen Teil der MEA 212 bildende Elektrolytmembran
einen spezifizierten lokalen Bereich in enger Nachbarschaft zum
Luftauslaßabschnitt 244 des
Lufttrenners 214, in dem die Neigung besteht, daß sich in
der Elektrolytmembran Flüssigkeitströpfchen ansammeln.
Zum besseren Verständnis
ist dieser spezifizierte Bereich in 32 als
ein schraffierter Bereich E und als ein Teil gezeigt, das eine Benetzungscharakteristik
aufweist, die dem Luftauslaßabschnitt 244 der
MEA 212 zugeordnet ist.
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Wie
hier angewandt, entspricht der Lufttrenner 214 einem ersten
Trenner der vorliegenden Erfindung und der Luftkanal 246 entspricht
einem Oxidantgas-Kanal. Gleichermaßen entspricht der Lufteinlaßabschnitt 242 einem
Oxidantgas-Einlaßabschnitt
der vorliegenden Erfindung und der und der Luftauslaßabschnitt 244 entspricht
einem Oxidantgas-Auslaßabschnitt
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Die 33 ist eine transparente Ansicht des Wasserstofftrenners 216 von
der rechten Seite der 31 aus gesehen. Der Wasserstofftrenner 216 besteht
aus einem Trennerkörper 250,
der mit einem Wasserstoffeinlaßabschnitt 252 ausgebildet
ist, der mit dem Wasserstoffkanal 26 der Brennstoffzelle 202 verbunden
ist, mit einem Wasserstoffauslaßabschnitt 254,
der mit dem Wasserstoffauslaßkanal 40 verbunden
ist, und mit einem Wasserstoffkanal 256, der sich zwischen
dem Wasserstoffeinlaßabschnitt 252 und dem
Wasserstoffauslaßabschnitt 254 erstreckt,
um zwischen ihnen eine Wasserstoffströmung zu ermöglichen:
Wie in den 31 und 33 gezeigt
besitzt der die Elektrolytmembran bildende Teil der MEA 212 einen weiteren
spezifizierten Bereich in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 254 des Wasserstofftrenners 216,
in dem die Neigung besteht, daß sich
in der Elektrolytmembran Flüssigkeitströpfchen ansammeln
und wo die Elektrolytmembran dazu neigt, einen Mangel an Brenngas,
wie Wasserstoff, aufzuweisen. Zum besseren Verständnis ist der spezifizierte
Bereich der MEA 212 in 33 als
ein schraffierter Bereich F und als ein Teil gezeigt, das eine Benetzungscharakteristik
und eine Wasserstoffkonzentrationscharakteristik aufweist, die dem
Wasserstoffauslaßabschnitt 254 der
MEA 212 zugeordnet ist.
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Wie
hier benutzt entspricht der Wasserstofftrenner 216 einem
zweiten Trenner der vorliegenden Erfindung und der Wasserstoffkanal 256 entspricht einem
Brenngaskanal. Gleichermaßen
entspricht der Wasserstoffeinlaßabschnitt
einen Brenngaseinlaßabschnitt
der vorliegenden Erfindung und der Wasserstoffauslaßabschnitt 254 entspricht
einem Brenngasauslaßabschnitt
der vorliegenden Erfindung.
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34 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht
eines wesentlichen Teils des Stromsammlers 218 mit dem
negativen Anschluß und 35 ist ein Querschnitt nach der Linie A2-A2 in 34
-
Wie
in den 31, 34 und 35 gezeigt,
ist die Stromsammlerplatte 218 in die Hauptstromsammlerplatte 220 und
die erste und die zweite Hilfsstromsammlerplatte 222, 224 unterteilt,
die in spezifizierten lokalen Bereichen der Stromsammlerplatte 218 auf
dem Isolatorrahmen 219 ausgebildet sind, der aus Isoliermaterial
besteht, und von einander elektrisch isoliert sind. Das heißt, die
erste Hilfsstromsammlerplatte 222 ist auf dem Isolatorrahmen 219 in
einem ersten lokalen Bereich im wesentlichen in Bezug auf den Luftkanal 246 des
Lufttrenners 214 in einer Position ausgerichtet, die näher an dem Luftauslaßabschnitt 244 als
am Lufteinlaßabschnitt
liegt, d.h. an einem spezifizierten Ort E (siehe 32) in enger Nachbarschaft zum Luftauslaßabschnitt 244, um
die Benetzungscharakteristik darzustellen, wo Neigung besteht, daß übermäßige Feuchtigkeit
auftritt und es ermöglicht,
daß sich
Flüssigkeitströpfchen leicht
ansammeln, und insbesondere in einer Position, in der die erste
Hilfsstromsammlerplatte 222 den Luftauslaßabschnitt 244 längs der
Richtung der Dicke der Brennstoffzelle 202 überlappt.
Zwischen der Hauptstromsammlerplatte 220 und der ersten
Hilfsstromsammlerplatte 222 ist verbindend die erste Stromsammlerverdrahtung 226 angeordnet,
die elektrisch leitend ist, um den Durchfluß eines ersten lokalisierten
Stroms zu gestatten. Auf der ersten Stromsammlerverdrahtung 226 ist
der erste Stromsensor 228 angebracht, der den durch die
erste Stromsammlerverdrahtung 226 fließenden ersten lokalisierten
Strom mißt.
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In ähnlicher
Weise ist die zweite Hilfsstromsammlerplatte 224 auf dem
Isolatorrahmen 219 in einem zweiten lokalisierten Bereich
im wesentlichen in Bezug auf den Wasserstoffkanal 256 des
Wasserstofftrenners 216 in einer Position ausgerichtet,
die näher
an dem Wasserstoffauslaßabschnitt 254 als am
Wasserstoffeinlaßabschnitt
liegt, d.h. an einem spezifizierten Ort F (siehe 33) in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 254,
um die Benetzungscharakteristik und die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik
darzustellen, wo sich Flüssigkeitströpfchen leicht
ansammeln und die Brennstoffzelle die Neigung besitzt. einen Mangel
an Brenngas aufzuweisen, und insbesondere an einer Position, in
der die zweite Hilfsstromsammlerplatte 224 teilweise den
Wasserstoffauslaßabschnitt 254 längs der
Richtung der Dicke der Brennstoffzelle 202 überdeckt.
Zwischen der Hauptstromsammlerplatte 220 und der zweiten
Hilfsstromsammlerplatte 224 ist verbindend die zweite Stromsammlerverdrahtung 230 angeordnet,
die elektrisch leitend ist, um den Durchfluß eines zweiten lokalisierten
Stroms zu gestatten. Auf der zweiten Stromsammlerverdrahtung 226 ist
der zweite Stromsensor 231 angebracht, der den durch die
zweite Stromsammlerverdrahtung 230 fließenden ersten lokalisierten
Strom mißt.
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Weiterhin
bilden die im ersten lokalen Bereich der Stromsammlerplatte 218 ausgebildete
erste Hilfsstromsammlerplatte 222, die erste Stromsammlerverdrahtung 226 und
der erste Stromsensor 228, sowie die im zweiten lokalen
Bereich der Stromsammlerplatte 218 ausgebildete zweite
Hilfsstromsammlerplatte 224, die zweite Stromsammlerverdrahtung 230 und
der zweite Stromsensor 231 Strommeßvorrichtungen, die den entsprechenden
lokalen Bereichen zugeordnet sind der Brennstoffzelle 202 zugeordnet
sind, um die lokalisierten Ströme
zu messen, die durch die spezifizierten lokalen Bereiche fließen, wie
im Detail unten diskutiert wird. Die Strommeßvorrichtungen können für alle Zelleneinheiten oder
nur für
einige Zelleneinheiten vorgesehen sein.
-
Es
wird nun die Wirkungsweise der Stromsensoren 228, 231 beschrieben.
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Zunächst steuert
entsprechend der Anforderung elektrischer Leistung durch die Last 14 der
Steuerabschnitt 204 den Durchfluß der Luft und den Durchfluß des Wasserstoffs
zur Versorgung der Brennstoffzelle 202. Insbesondere steuert
der Steuerabschnitt die Drehzahl der Luftpumpe 20, um dadurch
der zuzuführenden
Luft zu steuern und die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 42,
um dadurch den Durchfluß des
zuzuführenden
Wasserstoffs zu steuern: Wenn dies stattfindet, wird der Durchfluß der zuzuführenden
Luft vorab auf einen gegebenen Durchfluß eingestellt, um keine Schwankungen
der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 202 zu verursachen.
Die Zufuhr von Luft und Wasserstoff zur Brennstoffzelle 202 verursacht
den Ablauf einer elektrochemischen Reaktion zur Erzeugung elektrischer
Energie, die ihrerseits der Last 14 zugeführt wird
Der über die
Last fließende
elektrische Strom fließt
in die Stromsammlerplatte 218, die den negativen Anschluß aufweist.
Der in die Stromsammlerplatte 218 fließende elektrische Strom wird
aufgeteilt in einen Hauptstrom, der in die MEA 212 fließt, einen
ersten lokalisierten Strom, der in die MEA 212 durch die
erste Stromsammlerverdrahtung 226 und die erste Hilfsstromsammlerplatte 222 fließt, sowie
einen zweiten lokalisierten Strom der in die MEA 212 durch
die zweite Stromsammlerverdrahtung 230 und die zweite Hilfsstromsammlerplatte 224 fließt.
-
Der
erste Strom, der durch die erste Stromsammlerverdrahtung 226 fließt, entspricht
dem ersten lokalisierten Strom (nachfolgend als Luftauslaßstrom Ia•aus bezeichnet),
der durch den ersten lokalen Bereich der Stromsammlerplatte 218 fließt, der
in enger Nachbarschaft zum Luftauslaßabschnitt 244 der
MEA 212 der Stromsammlerplatte 218 angeordnet
ist, wodurch der erste Stromsensor 228 befähigt wird,
den Luftauslaßstrom
Ia•aus
zu ermitteln.
-
Weiter
entspricht der zweite Strom, der durch die zweite Stromsammlerverdrahtung 230 fließt, dem zweiten
lokalisierten Strom (nachfolgend als Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus bezeichnet),
der den zweiten lokalen Bereich fließt, der sich in enger Nachbarschaft
zum Wasserstoffauslaßabschnitt 254 der
MEA 212 der Stromsammlerplatte 218 befindet, wodurch der
zweite Stromsensor 230 befähigt wird, den Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus zu ermitteln.
-
Die 36 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt
in der Brennstoffzelle 202 und der Veränderung des Ausgangsstroms
der Brennstoffzelle 202. Wie in 36 gezeigt,
nimmt mit zunehmendem Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle 202 der
Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 202 ab. Somit besteht
eine Wechselbeziehung zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle 202 und
deren Ausgangsstrom.
-
Weiterhin
neigt ein Wert des lokalisierten Stroms in speziellen lokalen Bereichen
(wie dem spezifizierten lokalen Bereich E in 32 und
dem spezifizierten lokalen Bereich F in 33)
abzusinken. Aus diesem Grund kann für den Fall, daß die den
entsprechenden lokalen Bereichen zugeordneten lokalisierten Stromwerte
in einem gewissen Ausmaß auf einen
Wert absinken, der geringer ist als ein mittlerer Stromwert, geschlossen
werden, daß die
speziellen lokalen Bereiche E, F einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt aufweisen,
mit dem Ergebnis, daß in
der Brennstoffzelle 202 Störungen auftreten. Als Konsequenz
daraus wird ein gegebener Wert (Stromwert zur Einleitung der Begrenzung
der Ausgangsleistung), der eine Bezugsgröße bildet, bei der eine Steuerung
durchgeführt
wird, um die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 einzuleiten,
so eingestellt, daß er
einen Wert aufweist, der sich als Produkt des mittleren Stromwerts
der Brennstoffzelle 202 multipliziert mit einem gegebenen
Verhältnis
(beispielsweise 50%) ergibt. Somit wird, wenn die Werte der den
spezifizierten Bereichen E, F zugeordneten lokalisierten Ströme geringer
werden, geschlossen, daß eine
Störung
in der Brennstoffzelle 202 auftritt und der Steuerabschnitt 204 führt die
Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 durch.
-
Das
heißt,
daß durch Überwachung
der dem entsprechenden lokalisierten Bereich in enger Nachbarschaft
des Luftauslaßabschnitts 244 und
dem entsprechenden lokalen Bereich in enger Nachbarschaft des Wasserstoffauslaßabschnitts 254 zugeordneten lokalisierten
Ströme
I, d.h. des Luftauslaßstroms Ia•aus und
das Wasserstoffauslaßstroms
Ih•aus,
in Verbindung mit einem gegebenen Stromwert in angemessener Weise
entschieden werden kann, ob die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion
der Brennstoffzelle 202 durchgeführt werden soll. Der gegebene
Wert, der die Bezugsgröße bildet,
bei der die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 eingeleitet
wird, wird auf den gegebenen Wert (beispielsweise 50%) des mittleren
Stromwertes der Brennstoffzelle 202 festgesetzt, welcher
der Wert ist, der sich in Übereinstimmung
mit dem Stromwert verändert,
den die Brennstoffzelle ausgibt.
-
Nun
wird im Detail die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 während der
Startphase des Brennstoffzellensystems 200 der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die 37 und 38 beschrieben.
Die 37 ist ein Flußdiagramm,
das eine Grundabfolge der Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion darstellt,
die durch den Steuerabschnitt 204 des Brennstoffzellensystems 200 der
gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
ausgeführt
wird, und die 38 ist eine Zeittafel zur Darstellung
der Zeitpunkte, zu denen die verschiedenen Flags verändert werden.
-
Zunächst wird
beim Schritt 100 beurteilt, ob die durch den Temperaturfühler 206 ermittelte
Temperatur der Brennstoffzelle 202 eine gegebene Temperatur
(von beispielsweise 60°C) überschreitet,
mit dem Ergebnis, daß,
wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 202 die gegebene
Temperatur übersteigt, die
Aktion beendet wird und nur, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 202 geringer
ist als die vorgegebene Temperatur, die folgenden Schritte ausgeführt werden.
-
Beim
folgenden Schritt S102 ermittelt der Stromsensor 201 den
mittleren Stromwert der Brennstoffzelle 202 und die Stromsensoren 228, 231 ermitteln
die lokalisierten Stromwerte. Im folgenden Schritt S104 wird festgestellt,
ob die lokalisierten Stromwerte geringer sind als ein erster gegebener
Wert (von beispielsweise 50% des mittleren Stromwerts). Falls mehrere
Stromsensoren 228, 231 vorgesehen sind, kann die
Aktion ausgeführt
werden, um zu ermitteln, ob einer der lokalisierten, von den entsprechenden Stromsensoren 228, 231 gemessenen
Stromwerte geringer ist als der gegebene Stromwert.
-
Wenn
beim Schritt S104 der lokalisierte Stromwert nicht geringer ist
als der erste gegebene Stromwert, wird als Konsequenz die Aktion
wieder zum Schritt S100 zurückgeführt, wenn
dagegen beim Schritt S104 der lokalisierte Stromwert geringer ist als
der erste gegebene Stromwert, wird die die Aktion mit dem Schritt
S106 fortgesetzt, um die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion durchzuführen. Wenn dies
stattfindet, werden das dem Sinken des Stroms zugeordnete Flag und
das der Ausgangsleistungsbegrenzung zugeordnete Flag eingeschaltet
(38) Während
der Durchführung
der Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion übt der Steuerabschnitt 204 die Steuerung
in einer Weise aus, die den mittleren Stromwert derart absenkt,
daß der
mittlere Stromwert der Brennstoffzelle 202 nahe dem lokalisierten Stromwert
liegt. Insbesondere wird dies erreicht durch Steuerung des Luftdruckregelventils 34,
derart, daß der
Durchfluß des
der Brennstoffzelle 202 zuzuführenden Oxidantgases (Sauerstoff)
gesenkt wird oder durch Begrenzung der Leistungsanforderung der
Last 14 an die Brennstoffzelle 202, wodurch der mittlere
Stromwert gesenkt werden kann.
-
Weiterhin
wird die Aktion so ausgeführt,
daß die
Ausgangsleistungsbegrenzungsoperation allmählich durchgeführt wird.
Beispielsweise wird der mittlere Stromwert der Brennstoffzelle 202 nicht schnell
auf das Niveau des lokalisierten Stromwerts abgesenkt, sondern der
mittlere Stromwert wird so gesteuert, daß er sich allmählich dem
lokalisierten Stromwert annähert.
Wie in 38 gezeigt, wird in Fällen, in
denen das Begrenzungsverhältnis
auf 0% gesetzt ist, wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 202 nicht
beschränkt
ist, und in Fällen,
in denen das Begrenzungsverhältnis
auf 100% gesetzt ist, wenn der mittlere Stromwert der Brennstoffzelle auf
den Wert 0 gesetzt ist, das Begrenzungsverhältnis nicht so gesteuert, daß der mittlere
Stromwert schnell veranlaßt
wird, sich dem lokalisierten Stromwert anzunähern, vielmehr wird die Steuerung
so durchgeführt,
daß allmählich das
Begrenzungsverhältnis
vom Wert 0% aus angehoben wird. Das setzt das Fahrzeug in die Lage,
jedes unangenehme Gefühl
für den
Fahrer und dadurch das Auftreten von Störungen bei der Fahrfähigkeit
zu unterdrücken.
-
Als
nächstes
ermittelt beim Schritt S108 der Stromsensor 201 den mittleren
Stromwert der Brennstoffzelle 202 und die Stromsensoren 228, 231 ermitteln
die lokalisierten Stromwerte. Im folgenden Schritt S 110 wird geprüft, ob der
lokalisierte Stromwert geringer ist als ein zweiter gegebener Wert
(Stromwert zur Beendigung der Begrenzung des Leistungsausgangs).
Der zweite gegebene Wert ist ein Wert, der eine Bezugsgröße bildet,
bei der eine Aktion ausgeführt
wird, um die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 zu
beenden. Bei der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
wird das Verhältnis
des zweiten gegebenen Wertes zum mittleren Stromwert der Brennstoffzelle 202 höher angesetzt
als das des ersten gegebenen Wertes und beispielsweise auf den Wert
75%.
-
Demzufolge
wird die Aktion, falls der lokalisierte Stromwert den zweiten gegebenen
Wert nicht überschreitet,
auf den Schritt S106 zurückgeführt, um
die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion fortzusetzen. Im Gegensatz
dazu wird, wenn beim Schritt S110 der lokalisierte Stromwert den
zweiten gegebenen Wert überschreitet,
beim Schritt S 112 die Aktion ausgeführt, wird die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion
aufrechterhalten. Mit dem folgenden Schritt S114 wird festgestellt,
ob sich die Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle 202 verändern, d.h.
ob der Fahrer das Fahrpedal freigegeben hat. Wenn dies stattfindet,
wird das dem Absinken des Stroms zugeordnete Flag abgeschaltet und
das Begrenzungsverhältnis
der Brennstoffzelle 202 wird aufrechterhalten (siehe 38).
-
Als
Ergebnis wird die Aktion auf den Schritt S112 zurückgeführt, um
die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 fortzusetzen.
Im Gegensatz dazu wird, wenn beim Schritt S114 der Fahrer das Fahrpedal
freigibt, im Schritt S116 die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion
abgebrochen. Dann wird die Aktion zum Schritt S100 zurückgeführt. Wenn
dies stattfindet, wird die das der Ausgangsleistungsbegrenzung zugeordnete
Flag abgeschaltet und das Begrenzungsverhältnis der Brennstoffzelle wird
0%.
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Wenn
der Fahrer beispielsweise fortfährt, das
Fahrpedal niederzudrücken
und falls die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 abgebrochen
wird, tritt eine Situation ein, bei der die Leistungsabgabe der
Brennstoffzelle 202 plötzlich
ansteigt und beim Fahrer ein unangenehmes Gefühl verursacht, das die Fahrfähigkeit
beeinträchtigt.
Im Gegensatz dazu wird es dann, wenn die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion
der Brennstoffzelle 202 beibehalten wird, bis die Betriebsbedingung
sich wie bei der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
verändert,
möglich,
den Fahrer davon zu befreien, an einem unangenehmen Gefühl zu leiden,
und dadurch eine Verschlechterung der Fahrfähigkeit auszuschließen.
-
Wie
oben dargelegt, ermöglicht
es die Überwachung
der einem Bereich der Brennstoffzelle 202, wo sich leicht
Wassertröpfchen
ansammeln, zugeordneten lokalisierten Stromwerte, das Auftreten
von Störungen
in der Brennstoffzelle 202 frühzeitig zu entdecken. Weiterhin
kann durch die Ausführung
der Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 in
Abhängigkeit
vom lokalisierten Stromwert, die Brennstoffzelle 202 zum
frühesten Zeitpunkt
wiederhergestellt werden, wodurch es möglich wird, auszuschließen, daß ein brennstoffzellengetriebenes
Fahrzeug auf der Straße
zum Stillstand kommt.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem 200 der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
mit der oben geschilderten Anordnung erlaubt die Gegenwart einer
Kombination zwischen der Strommeßvorrichtung zur Messung der
dem lokalen Bereich der Brennstoffzelle 202, in dem sich
leicht Wassertröpfchen
ansammeln, zugeordneten lokalisierten Stromwertes und des Steuerabschnitts 204 der
Brennstoffzelle 202 eine Betriebweise mit einer Ausgangsleistungsbegrenzung,
die von dem durch die Strommeßvorrichtung
gemessenen lokalisierten Strom abhängt. Dies ermöglicht die Überwachung
des lokalisierten Stromwerts, der kennzeichnend ist für den lokalisierten
Bereich der Brennstoffzelle 202, in dem die Neigung zur
Ansammlung von Wasser besteht, was die Fähigkeit zur Folge hat, daß das Auftreten von
Störungen
an der Brennstoffzelle 202 in einem frühen Stadium erkannt werden
kann. Durch die Überwachung
des für
das Auftreten solcher Störungen
signifikanten lokalisierten Stroms kann auch die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion
in Abhängigkeit
vom lokalisierten Stromwert zustande gebracht werden. Dies erlaubt
es einem mit der Brennstoffzelle 202 als Antriebsquelle
ausgerüsteten
Fahrzeug, die Notwendigkeit zu vermeiden, auf der Straße anhalten zu
müssen.
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Weiterhin
wird mit dem Brennstoffzellensystem 200 der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
die Durchschnittsstrommeßvorrichtung 201 zur Messung
des mittle ren (durchschnittlichen) Stromwertes der Brennstoffzelle 202 vorgesehen,
und der vorgegebene Wert wird auf den Wert eingestellt, der von
dem durch die Durchschnittsstrommeßvorrichtung 201 gemessenen
Durchschnittsstromwert durch Multiplikation mit dem gegebenen Begrenzungsverhältnis erhalten
wird. Dies ermöglicht
die geeignete Einleitung der Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der
Brennstoffzelle 202.
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Außerdem wird
beim Brennstoffzellensystem 200 der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform während der
Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion des Steuerabschnitts 204 der
Durchschnittsstromwert derart abgesenkt, daß der Durchschnittsstromwert
der Brennstoffzelle 202 sich dem lokalisierten Stromwert
annähert.
Dies ermöglicht
eine zuverlässige
Durchführung
der Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202.
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Überdies
erlaubt es das Brennstoffzellensystem 200 der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform,
einen der Brennstoffzelle zugeordnete Temperaturfühlereinheit 206 zur
Ermittlung der Temperatur der Brennstoffzelle 202, in Kombination
mit dem Kontrollabschnitt 204, die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion
zu unterbrechen, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 202 die
gegebene Temperatur übersteigt.
Die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der Brennstoffzelle 202 kann
in einer gewünschten
Situation nur ausgeführt
werden, wenn beispielsweise die Temperatur der Brennstoffzelle gesteuert wird
und bei einer vorgegebenen kühlen
Temperatur, wie einer niedrigen Brennstoffzellentemperatur eingestellt
ist.
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Außerdem ist
bei dem Brennstoffzellensystem 200 der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
die Brennstoffzelle 202 geeignet, in ein Fahrzeug eingebaut
zu werden, und der Steuerabschnitt 204 übt eine derartige Aktion aus,
daß, wenn
der lokalisierte Strom einen Wert annimmt, der den gegebenen Stromwert
zur Beendigung der Begrenzung des Leistungsausgangs übersteigt,
der einen Grenzwert darstellt, auf dessen Basis die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion
durch die Ausgangsleistungsbegrenzungsvorrichtung beendet wird,
die Ausgangsleistungsbegrenzungsvorrichtung die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion
fortsetzt, bis sich der Antriebszustand des Fahrzeugs verändert. Dadurch
wird das Fahrzeug befähigt,
den Fahrer davor zu bewahren, ein unangenehmes Gefühl zu erleiden, wodurch
das Auftreten einer Verschlechterung der Fahrfähigkeit ausgeschlossen ist.
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Obwohl
das Brennstoffzellensystem 200 der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
in Verbindung mit einem beispielhaften Fall beschrieben wurde, bei
dem beim Schritt S114 die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion der
Brennstoffzelle 202 unter der Bedingung abgebrochen wird,
daß der
Fahrer das Fahrpedal freigibt. Kann das Brennstoffzellensystem 200 eine
Anordnung aufweisen, bei der die Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion
der Brennstoffzelle 202 in Anhängigkeit von anderen Veränderungen
der Fahrsituation abgebrochen wird.
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Obwohl
das Brennstoffzellensystem 200 der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
außerdem
in Verbindung mit einem beispielhaften Fall beschrieben wurde, bei
dem die Brennstoffzelle 292 mit zwei Stromsensoren 228, 231b versehen
ist, um lokalisierte Ströme
zu messen, die zwei lokalen Bereichen zugeordnet sind, ist keine
Beschränkung
auf eine solche besondere Anwendung beabsichtigt, und das Brennstoffzellen 200 kann
eine Struktur annehmen, bei welcher ein Stromsensor vorgesehen ist, um
den lokalisierten Strom in einem lokalen Bereich der Brennstoffzelle 202 zu
messen, oder eine andere Struktur, bei der drei oder mehr Stromsensoren
vorgesehen sind, um die drei oder mehr lokalen Bereichen der Brennstoffzelle 202 zugeordnete
lokalisierte Ströme
messen.
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Obwohl
das Brennstoffzellensystem 200 der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
in Verbindung mit der Brennstoffzelle 202 beschrieben wurde,
ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Anwendung beschränkt und
kann auch auf ein System einer elektrischen Energieeinheit angewandt werden,
die eine Energieeinheit wie eine Sekundärbatterie und einen Kondensator
usw. enthält.
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(Neunte Ausführungsform)
-
Als
nächstes
wird unter Bezugnahme auf die 31 bis 34 und 39 bis 42 ein
Brennstoffzellensystem einer neunten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung und ein zugeordnetes Verfahren im Detail beschrieben.
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Die 39 ist eine typische Ansicht des Brennstoffzellensystems 300 der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
zur Anwendung bei einem elektrischen Fahrzeug.
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Die
neunte Ausführungsform
unterscheidet sich von der achten Ausführungsform dadurch, daß bei der
achten Ausführungsform
der Steuerabschnitt 204 aus der Ausgangsleistungsbegrenzungsvorrichtung
zur Durchführung
der Ausgangsleistungsbegrenzungsaktion in Abhängigkeit vom lokalisierten Stromwert
besteht. Die neunte Ausführungsform sieht
dagegen einen Steuerabschnitt 304 vor und eine Luftaustreibeinheit 306,
die so angeordnet ist, daß sie
durch die Steuervorrichtung 304 aktivierbar ist, um einen
Strom von Reinigungsluft in die Brennstoffzelle einzublasen, um
Feuchtigkeit aus ihr auszutreiben, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle
unterbrochen wird. Die Brennstoffzelle 202 des Brennstoffzellensystems 300 der
neunten Ausführungsform
ist identisch mit jener de Brennstoffzellensystems 200 der
achten Ausführungsform
und deshalb wird die detaillierte, in den 31 bis 34 gezeigte
Anordnung hier für
die Beschreibung der neunten Ausführungsform benutzt.
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Es
erfolgt deshalb eine detaillierte Beschreibung des Brennstoffzellensystems
der neunten Ausführungsform,
um das obige Unterscheidungsmerkmal klarzustellen.
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Das
heißt,
beim neunten Ausführungsbeispiel
schließt
das Brennstoffzellensystem 300 die Luftaustreibeinheit 306 ein,
die aus der Luftpumpe 20 und dem Luftdruckregelventil 34 besteht.
Die Luftausreibeinheit 306 wird durch die Steuervorrichtung 304 in
Abhängigkeit
vom lokalisierten Stromwert aktiviert, der von den Stromsensoren 228, 231 (siehe 31) geliefert wird, die die lokalisierten Ströme der zugeordneten
lokalen Bereiche der Brennstoffzelle 202 messen, wo sich
Wassertröpfchen
leicht ansammeln können.
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Insbesondere
schließt
der Steuerabschnitt 304 ein Steuergerät ein, das aus einer elektronischen Steuereinheit
(ECU) besteht, die einen Mikrocomputer umfaßt, der aus einer CPU, einem
ROM und einem RAM und der peripheren Schaltung besteht. Der Steuerabschnitt 304 führt eine
Berechnung auf der Basis der Zellenspannungssignale durch, die vom Zellenmonitor 16 geliefert
werden, und der Betriebsstromsignale, die vom Stromsensor 19 kommen,
und der lokalisierten Stromwerte, die von den Stromsensoren 228, 231 geliefert
werden, um Steuersignale zu erzeugen, die der Luftpumpe 20,
den Befeuchtern 28, 36, dem Luftdruckregelventil 34,
dem Wasserstoffdruckregelventil 38 und der Wasserstoffpumpe 42 zugeführt werden,
um diese Komponenten in der gleichen Weise zu steuern, wie dies
oben mit Ausnahme der Steuervorrichtung 304 durchzuführenden Luftaustreibaktion
beschrieben wurde, deren Aktivität unten
noch beschrieben wird.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem 300 der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
dient der Steuerabschnitt 304 als eine Austreibsteuervorrichtung
zur Erzeugung eines Steuersignals ansprechend auf die lokalisierten
Stromsignale, die von den Stromsensoren 228, 231 zur
Steuerung der Luftaustreibaktion geliefert werden, wenn der Betrieb
der Brennstoffzelle 202 unterbrochen wird.
-
Wie
vorher bei der achten Ausführungsform unter
Bezugnahme auf die 31 bis 35 angemerkt
wurde, fließt
der über
die Last 14 fließende elektrische
Strom über
den negativen Anschluß in
die Stromsammlerplatte 218. Der in die Stromsammlerplatte 218 fließende Strom
wird unterteilt in einen Hauptstrom, der in die MEA 212 fließt, einen
ersten lokalisierten Strom, der über
die erste Stromsammlerverdrahtung 226 und die erste Hilfsstromsammlerplatte 222 in
die MEA 212 fließt,
und einen zweiten lokalisierten Strom, der über die zweite Stromsammlerverdrahtung 230 und
die zweite Hilfsstromsammlerplatte 224 in die MEA 212.
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Der
durch die erste Stromsammlerverdrahtung 226 fließende erste
Strom entspricht dem ersten lokalisierten Strom (Luftauslaßstrom Ia·aus),
der durch den ersten lokalen Bereich fließt, der sich in enger Nachbarschaft
zum Luftauslaßabschnitt 244 der
MEA 212 der Stromsammlerplatte 219 befindet, wodurch
er den ersten Stromsensor befähigt,
den Luftauslaßstrom
Ia·aus
zu ermitteln.
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Weiter
entspricht der zweite Strom, der durch die zweite Stromsammlerverdrahtung 230 fließt, dem zweiten
lokalisierten Strom (Wasserstoffauslaßstrom (Ih·aus), der durch den zweiten
lokalen Bereich fließt, der
sich in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 254 der
MES 212 der Stromsammlerplatte 218 befindet, wodurch
er den zweiten Stromsammler 231 befähigt, den Wasserstoffauslaßstrom Ih·aus zu
ermitteln.
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Wie
schon oben diskutiert wurde, entsprechen der erste und der zweite
lokale Bereich den ausgewählten
lokalen Bereichen der MEA 212 (siehe 31 bis 33),
wo das Wasser dazu neigt, sich zu sammeln, und auf diese Weise wird
der Steuerabschnitt 304 durch lokalisierte Ströme beaufschlagt, die
von den Stromsensoren 228, 231 geliefert werden,
um die Luftaustreibaktion der Brennstoffzelle 202 durchzuführen.
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Die 40 zeigt die Veränderung des elektrischen Stroms
I der Brennstoffzelle 202, wenn die Luftaustreibaktion
ausgeführt
wird. Wie in 40 gezeigt, nimmt der Feuchtigkeitsgehalt
innerhalb der Brennstoffzelle 202 ab, wenn der Steuerabschnitt 304 die
Luftaustreibaktion ausführt,
und die Elektrolytmembran der MEA 212 (siehe 31) wird getrocknet. Wenn dies stattfindet, nimmt
der Protonenleitfähigkeitswiderstand
zu, wodurch ein Absinken des elektrischen Stroms verursacht wird.
Somit besteht eine Wechselbeziehung zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt
innerhalb der Brennstoffzelle 202 und deren elektrischem
Strom. Abhängig
von einer solchen Wechselbeziehung ist der Steuerabschnitt 304 so
programmiert, daß er
einen gegebenen Stromwert enthält.,
der dem Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 202 entspricht,
der vorher festgelegt wurde als eine Bezugsgröße, bei der die Luftaustreibaktion
beendet wird, wodurch dann, wenn die Luftaustreibaktion ausgeführt wird,
um Wasser aus der Brennstoffzelle 202 zu entfernen, der
Steuerabschnitt 304 befähigt
ist, wahrzunehmen, daß,
wenn der elektrische Strom I der Brennstoffzelle 202 unter den
gegebenen Stromwert absinkt, der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 202 auf
ein annehmbares Niveau absinkt. In diesem Fall kann, wenn die lokalisierten
Ströme
I, d.h. der Luftauslaßstrom Ia•aus und
der Wasserstoffauslaßstrom
Ih•aus,
die dem Luftauslaßabschnitt 244 des
Lufttrenners 214 (siehe 32)
bzw. dem Wasserstoffauslaßabschnitt 254 des
Wasserstofftrenners 216 (siehe 33)
zugeordnet sind, als geringer als der gegebene Stromwert befunden
werden, entschieden werden, daß der Feuchtigkeitsgehalt
in einem anderen Bereich auf natürliche
Weise entfernt werden kann. Dementsprechend wird es durch den Gebrauch
des Luftauslaßstroms
Ia•aus
und des Wasserstoffauslaßstroms Ih•aus, die
durch die den lokalen Bereichen der Brennstoffzelle 202,
an denen die Neigung besteht, daß sich Wasser ansammelt, zugeordneten
Stromsensoren 228, 231 gemessen werden, möglich, in
einer geeigneteren Weise den Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle
festzustellen, zu entscheiden, wodurch der Steuerabschnitt 304 befähigt wird,
verläßlich die
Luftaustreibaktion durchzuführen um
das Auftreten von Mängeln
in der Brennstoffzelle 202 zu vermeiden.
-
Nun
werden unter Bezugnahme auf die 41 und 42 die
Grundabfolge von Aktionen des Brennstoffzellensystems 300 der
gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
und eines zugeordneten Verfahrens beschrieben. Die 41 ist ein Flußdiagramm zur Darstellung einer
durch den Steuerabschnitt 304 auszuführenden Steuerfolge für die Luftaustreibaktion
und 42 ist eine Zeittafel zur Darstellung
der Zeitpunkte, zu denen bei den verschiedenen Steuerflags Wechsel
stattfinden.
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Zunächst beginnt
der Steuerabschnitt 304 die Luftaustreibaktion auszuführen, wenn
der Insasse eines Fahrzeugs den (nicht gezeigten) Schlüsselschalter
ausschaltet. Beim Schritt S120 wird die Luftpumpe 20 betätigt, die
einen Teil der Luftaustreibeinheit 306 bildet, um einen
Strom von Reinigungsluft in die Brennstoffzelle 202 zu
fördern.
Im folgenden Schritt 122 messen die Stromsensoren 228, 231 die lokalisierten
Ströme,
die den entsprechenden lokalen Bereichen der Brennstoffzelle 202 zugeordnet
sind, wo das Wasser dazu neigt, sich anzusammeln, und im folgenden
Schritt S124 wird die Entscheidung getroffen, ob die lokalisierten
Stromwerte geringer sind als der vorgegebene Stromwert. In den Fällen, in
denen mehrere Stromsensoren 228, 231 vorgesehen sind,
kann entschieden werden, ob irgendeiner der lokalisierten Ströme der entsprechenden
Stromsensoren 228, 231 geringer ist als der gegebene
Stromwert.
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Als
Ergebnis wird dann, wenn beim Schritt S124 gefunden wird, daß die lokalisierten
Stromwerte geringer sind als der gegebene Wert, die Luftaustreibaktion
beendet. Im Gegensatz dazu werden dann, wenn beim Schritt S124 die
lokalisierten Stromwerte nicht geringer sind als der gegebene Stromwert,
im Schritt S126 die Aktionen in den Schritten S122 und S124 wiederholt
ausgeführt,
bis eine gegebenes Zeitintervall (von beispielsweise fünf Sekunden)
vom Beginn der Luftaustreibaktion an verstrichen ist.
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Falls
die lokalisierten Stromwerte nicht geringer sind als der gegebene
Stromwert, selbst wenn das Zeitintervall vom Beginn der Luftaustreibaktion an
verstrichen ist, kann angenommen werden, daß ein großes Wasservolumen in der Brennstoffzelle
zurückgeblieben
ist, und im Schritt S128 erhöht
der Steuerabschnitt 304 die Drehzahl der Luftpumpe 20, so
daß der
Durchfluß der
in die Brennstoffzelle 202 zu fördernden Reinigungsluft erhöht wird.
Wenn dies stattfindet, wird das Reinigungsluftdurchflußerhöhungsflag
eingeschaltet (siehe 42). Beim folgenden Schritt
S130 messen die Stromsensoren 228, 231 die lokalisierten
Ströme,
die den entsprechenden lokalen Bereichen der Brennstoffzelle 202 zugeordnet
sind, wo sich die Wassertröpfchen
leicht ansammeln, und im Schritt S132 setzt der Steuerabschnitt 304 die
Luftaustreibaktion fort, bis die lokalisierten Stromwerte geringer
werden als der gegebene Wert. Wenn die lokalisierten Stromwerte
geringer werden als der gegebene Stromwert, wird das dem Absinken des
Stroms zugeordnete Flag eingeschaltet, während das Luftaustreibflag
und das Reinigungsluftdurchflußerhöhungsflag
abgeschaltet werden (siehe 42).
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Das
Brennstoffzellensystem 300 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform
kann eine alternative Struktur annehmen, bei der in einem Fall,
bei dem die lokalisierten Stromwerte nicht unter einen gegebenen
Wert absinken, obwohl eine gewisse Zeitspanne verstrichen ist, seitdem
der Durchfluß der Reinigungsluft
erhöht
wurde, der Steuerabschnitt 304 entscheidet, daß wegen
des Auftretens von Fehlern die Luftaustreibaktion zwangsweise beendet wird.
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Wie
oben dargelegt, ist beim Brennstoffzellensystem gemäß der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
der Steuerabschnitt 304 so programmiert, daß der Zeitpunkt,
der auf den lokalisierten Stromwerten basieren, zu denen die Luftaustreibaktion
unter der Bedingung beendet wird, daß der Feuchtigkeitsgehalt innerhalb
der Brennstoffzelle 202 auf einem geeigneten Niveau gehalten
ist. Demgemäß kann die
Luftaustreibzeit verkürzt
werden, weil keine Wahrscheinlichkeit auftritt, daß die Luftaustreibaktion
weiter ausgedehnt wird als notwendig, was es ermöglicht, die Elektrolytmembran vor
dem übermäßigen Trocknen
zu bewahren. Zusätzlich
tritt keine Wahrscheinlichkeit ein, daß die Luftaustreibaktion beendet
wird, ohne angemessene Entfernung der Feuchtigkeit aus der Brennstoffzelle 202,
weil die dem nassen Zustand der Elektrolytmembran zugeordneten lokalisierten
Stromwerte überwacht
werden, um den Steuerabschnitt 304 wirksam zu halten, die
Luftaustreibaktion zu beenden nach der Feststellung, daß sich der
Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 202 in
einem geeigneten Zustand befindet.
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Weiterhin
befähigt
eine Kombination der Stromsensoren 228, 231, die
die den lokalen Bereichen der Brennstoffzelle 202 zugeordneten
lokalisierten Ströme
ermitteln, wo die Neigung zur Ansammlung von Feuchtigkeit besteht,
mit dem Steuerabschnitt 304, der wirksam ist, um in einer
geeigneteren Weise den Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 202 zu
beurteilen, den Steuerabschnitt 304, zu dem Zeitpunkt aktiv
zu werden, der in genauerer Weise bestimmt wird.
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Außerdem wird
die Beendigung der Luftaustreibaktion in einem frühen Stadium
ermöglicht
durch die Erhöhung
des Durchflusses der Reinigungsluft gemäß der Steuerung durch den Steuerabschnitt 304,
falls die lokalisierten Stromwerte nicht unter den gegebenen Wert
sinken, selbst wenn die vorgegebene Zeitspanne nach dem Beginn der
Luftaustreibaktion verstrichen ist. Beim Brennstoffzellensystem 300 der
gegenwärtig
betrachteten, oben erläuterten
Ausführungsform
ermöglicht
es das Vorhandensein der zum Messen der Stromwerte der Brennstoffzelle 202 geeigneten
Strommeßvorrichtung,
der Luftaustreibvorrichtung 306 und der Steuereinheit 304 der Luftaustreibvorrichtung 306 die
Luftaustreibaktion durchzuführen,
wenn die durch die Strommeßvorrichtung 228, 231 gemessenen
lokalisierten Ströme den
gegebenen Wert während
des unterbrochenen Betriebs der Brennstoffzelle 202 übersteigen.
Dies bietet die Möglichkeit,
auf der Basis des dem Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 202 zugeordneten
Stromwerts den Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem die Luftaustreibaktion
beendet wird, und deshalb kann die Luftaustreibaktion bei einem
Zustand beendet werden, zu dem die Brennstoffzelle einen geeigneten
Feuchtigkeitsgehalt aufweist. Demzufolge kann, weil keine Notwendigkeit
besteht, die Luftaustreibaktion länger als nötig auszudehnen, die Luftaustreibzeit
wirksam verkürzt
werden, was die Elektrolytmembran davor bewahrt, übermäßig auszutrocknen.
Zusätzlich
wird es möglich,
auszuschließen,
daß beim
Auftreten einer ungeeigneten Entfernung von Feuchtigkeit aus der
Brennstoffzelle 202 die Luftaustreibaktion beendet wird,
weil die Luftaustreibaktion beendet wird durch die Überwachung
des lokalisierten Stromwertes der Brennstoffzelle 202 und
das Treffen der Entscheidung, daß die Brennstoffzelle 202 einen
geeigneten Feuchtigkeitsgehalt aufweist.
-
Weiterhin
wird es dadurch, daß das
Brennstoffzellensystem 300 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform
die Strommeßvorrichtung
aufweist, die tätig
wird, um den dem lokalen Bereich der Brennstoffzelle 202,
in dem das Wasser sich leicht ansammelt, zugeordneten Stromwert
zu messen, die Fähigkeit
geschaffen, den Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 202 genauer
zu beurteilen, so daß der
Zeitpunkt, zu dem die Luftaustreibaktion beendet wird, in einer
angemesseneren Weise bestimmt werden kann.
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Außerdem kann
bei dem Brennstoffzellensystem 300 der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
die Luftaustreibaktion zu einem frühen Zeitpunkt beendet werden,
weil die Luftaustreibeinheit 306 wirksam ist, um den Durchfluß der Reinigungsluft
zu erhöhen,
wenn das vorgegebene Zeitintervall nach dem Beginn der durch die
Luftaustreibeinheit 306 durchgeführten Austreibaktion abgelaufen
ist.
-
Obwohl
das Brennstoffsystem 300 gemäß der derzeit betrachteten
Ausführungsform
unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Konstruktion beschrieben
wurde, bei der die lokalisierten Ströme nach dem Beginn der Luftaustreibaktion überwacht werden,
um den Zeitpunkt festzustellen, zu dem die Luftaustreibaktion beendet
wird, kann das Brennstoffzellensystem 300 eine alternative
Ausgestaltung annehmen, bei der die Luftaustreibaktion nicht eingeleitet
wird, falls die lokalisierten Ströme vor dem Beginn der Luftaustreibaktion
unter den gegebenen Wert absinken.
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Weiterhin
ist keine Begrenzung auf diese besondere Ausführungsform beabsichtig, obwohl
das Brennstoffzellensystem 300 gemäß der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
in Verbindung mit einer beispielhaften Konstruktion beschrieben
wurde, bei der die Brennstoffzelle 202 mit zwei Stromsensoren 228, 231 versehen
ist, um die lokalisierten Ströme
zu messen, die zwei lokalen Bereichen zugeordnet sind, und das Brennstoffzellensystem
kann eine alternative Gestaltung annehmen, bei der ein Stromsensor
vorgesehen ist, der einem lokalen Bereich der Brennstoffzelle 202 zugeordnet
ist, oder eine andere Gestaltung, bei der drei oder mehr Stromsensoren vorgesehen
sind, um die lokalisierten Ströme
zu messen, die drei oder mehr lokalen Bereichen der Brennstoffzelle 202 zugeordnet
sind.
-
Obwohl
das Brennstoffzellensystem der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform
in Verbindung mit der Brennstoffzelle 202 beschrieben wurde, ist
die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Gestaltung beschränkt und
kann auf eine elektrisches Energiesystem angewandt werden, das eine Energiereinheit
wie eine Sekundärbatterie
und einen Kondensator usw. aufweist
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(Zehnte Ausführungsform)
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Als
nächstes
werden unter Bezugnahme auf die 43 bis 46 eine
zehnte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung und ein zugeordnetes Verfahren im Detail
beschrieben.
-
Das
Brennstoffzellensystem 400 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform
wird bei einem elektrischen Fahrzeug angewandt (brennstoffzellengetriebenes
Fahrzeug), das geeignet ist, durch ein Energieversorgungssystem
in Form eines Brennstoffzellensystems angetrieben zu werden.
-
Die 43 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung
der Gesamtanordnung des Brennstoffzellensystems 400 der
zehnten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Wie
in 43 gezeigt, ist das Brennstoffzellensystem 400 der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
umfaßt
eine Brennstoffzelle, die Luftversorgungsquelle 20 bestehend
aus einer Luftpumpe, ein Kühlsystem 408 und
einen Steuerabschnitt 410.
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Die
Brennstoffzelle 402 ist ähnlich der Brennstoffzelle 12 der
ersten Ausführungsform
strukturiert und deshalb wird hier eine detaillierte Beschreibung der
Einfachheit halber weggelassen. Auch die die jeweiligen Stromsensoren
enthaltenden Strommeßvorrichtungen
sind ihrer Struktur nach jenen der ersten bis dritten Ausführungsform ähnlich und
deshalb wird hier eine detaillierte Beschreibung der Einfachheit halber
weggelassen. Die durch die Brennstoffzelle 402 erzeugte
elektrische Energie wird einer elektrischen Last 14 (in
Form eines Antriebsmotors zur Bewegung des Fahrzeugs) über einen
(nicht gezeigten) Stromwandler und eine (nicht gezeigte) Sekundärbatterie
usw. zugeführt.
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Die
Brennstoffzelle 402 wird mit Wasserstoff als ein Brenngas
von der Wasserstoffversorgungsquelle 24 und mit Luft als
ein Oxidantgas von der Luftversorgungsquelle 20 versorgt.
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Der
Reaktion nicht unterworfener Wasserstoff wird durch den Brenngaskreislaufkanal 40 der Brennstoffzelle
wieder zum Gebrauch zugeführt.
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Nicht
der Reaktion unterworfene Luft wird als Abgas durch einen Luftauslaßkanal 32 in
die Atmosphäre
entlassen.
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Während des
Betriebs der Brennstoffzelle 402 entstehen in der Brennstoffzelle
aufgrund der elektrochemischen Reaktion zwischen dem Oxidantgas,
wie der Luft, und dem Brenngas, wie dem Wasserstoff, Feuchtigkeit
und Wärme.
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Die
Brennstoffzelle 402 muß während des Betriebs
auf einer gegebenen Betriebstemperatur (beispielsweise etwa 80°C) gehalten
werden, um elektrische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad zu erzeugen.
Zu diesem Zweck ist das Brennstoffzellensystem 400 mit
dem Kühlsystem 408 ausgestattet,
das einen Wärmeträger benutzt,
um in der Brennstoffzelle 402 erzeugte Wärme nach
der Außenseite des
Systems abzustrahlen, um die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 402 in
einem gegebenen Bereich zu regeln. Es ist auch festzustellen, daß bei der gegenwärtig beschriebenen
Ausführungsform
ein frostsicheres Kühlwasser
als Wärmeträger benutzt wird,
das bei niedrigen Temperaturen nicht einfrieren kann.
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Das
Kühlsystem 408 dient
als Temperaturregeleinheit und schließt eine als geschlossene Schleife
geführten
Wärmeträgerkanal 412 ein,
durch den im Kreislauf Kühlwasser
fließt
und der aus einem Kühler 414 in
Form eines Wärmetauschers
zur Kühlung
des Wärmeträgers, und
einer Wasserpumpe 415 besteht, durch die ein Kühlwasserstrom
gefördert
wird. Das über
die Brennstoffzelle 402 fließende Kühlwasser wird im Kreislauf über den
Wärmeträgerkanal 412 zum
Kühler 414 geführt, in
dem der Wärmeaustausch zwischen
dem Kühlwasser
und der Atmosphäre
stattfindet. Die Brennstoffzelle 401 besitzt eine Struktur, die
es dem Kühlwasser
ermöglicht
durch die entsprechenden Zelleneinheiten zu zirkulieren, die die Brennstoffzelle 402 bilden.
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Weiterhin
umfaßt
das Kühlsystem
einen Bypasskanal 418, der die Kühlwasser die Umgehung des Kühlers 414 ermöglicht,
wobei ein Dreiwegeventil 420 dazu dient, kontinuierlich
ein Teilungsverhältnis
für den
Durchfluß des über den
Kühler 414 geführten Kühlwassers
und dem Durchfluß des
den Kühler 414 umgehenden
Kühlwassers
zu regulieren, sowie einen Lüfter 422,
der einen Kühlluftstrom
zum Kühler 414 fördert.
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Der
Steuerabschnitt 410 schließt eine Steuerung ein, die
aus einer elektronischen Steuereinheit (ECU) mit einem aus einer
CPU, einem ROM und einem RAM bestehenden Mikrocomputer und der zugehörigen peripheren
Schaltung besteht und dazu dient die Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle 402 zu
steuern.
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Wie
in 43 gezeigt, umfaßt das Brennstoffzellensystem
der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
weiter einen Stromsensor 430, der einen lokalisierten Stromsensor
zum Messen des einem spezifizierten lokalen Bereich in einer nachfolgend
noch erläuterten
Weise zugeordneten lokalisierten Stroms einschließt.
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Die
Brennstoffzelle 402 ist in ihrer Struktur identisch mit
der Brennstoffzelle 12 des Brennstoffzellensystems 10 der
ersten Ausführungsform
und schließt
einen Stapel von Zelleneinheiten ein, deren jede die gleiche MEA
umfaßt,
wie jene der Brennstoffzelle 12 der ersten Ausführungsform,
einen Lufttrenner 432 und einen (nicht gezeigten) Wasserstofftrenner,
zwischen denen sandwichartig eine MEA angeordnet ist. Deshalb wird
hier eine detaillierte Erläuterung
zur Vereinfachung der Beschreibung weggelassen.
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Die 44 zeigt eine schematische Struktur des mit der
(nicht gezeigten) MEA verbundenen Lufttrenners 432. Der
Lufttrenner 432 besteht aus einem Trennerkörper 434,
der mit einem Lufteinlaßabschnitt 436 mit
dem Luftkanal 22 verbunden ist, einen Luftauslaßabschnitt 438,
der mit dem Luftauslaßkanal 32 verbunden
ist und einen Luftkanal 440 in Form einer zwischen dem
Lufteinlaßabschnitt 436 und
dem Luftauslaßabschnitt 438 ausgebildeten
Ausnehmung, die eine Luftströmung
zwischen dem Lufteinlaßabschnitt 436 und
dem Luftauslaßabschnitt 438 ermöglicht.
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Der
Lufttrenner 432 ist plattenartig gestaltet und der Lufteinlaßabschnitt 436 und
der Luftauslaßabschnitt 438 erstrecken
sich vollständig
in einer Richtung rechtwinklig zur ebene des Trennerkörpers 343.
Der Luftkanal 440 ist im Trennerkörper mäanderartig ausgenommen.
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Obwohl
bei der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
der Stromsensor 430 schematisch in 44 als
in einem spezifizierten lokalen Bereich des Trennerkörpers 434 in
der Nähe
des Lufteinlaßabschnitts
angeordnet gezeigt ist, ist anzumerken, daß tatsächlich der Stromsensor 430 in
dem spezifizierten Bereich einer (nicht gezeigten) Stromsammlerplatte
in ähnlicher
Weise befestigt ist, wie dies bei der ersten Ausführungsform
gezeigt ist. Das heißt, der
Stromsensor 430 ist auf der MEA in einem spezifizierten
Bereich angeordnet, der sich in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaßabschnitt 436 des
Lufttrenners 432 befindet, wo die Elektrolytmembran dazu neigt
auszutrocknen, und der die Trocknungscharakteristik repräsentiert.
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Dabei
nimmt im Vergleich zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt auf einer stromauf
gelegenen Seite des Luftkanals 440 und dem Feuchtigkeitsgehalt
auf einer stromab gelegenen Seite des Luftkanals 440 der
Durchfluß des
Oxidantgases ab, wenn es sich in Richtung auf die stromab gelegenen
Seite des Luftkanals bewegt, mit einer resultierenden Tendenz zur
Abnahme des Feuchtigkeitsgehalts auf der stromauf gelegenen Seite.
Deshalb ist bei der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
der Luftsensor 430 auf der Brennstoffzelle 402 in
deren spezifiziertem lokalen Bereich befestigt, der dem Lufteinlaßabschnitt 436 des
Lufttrenners 432 einspricht, um den lokalisierten Strom
zu messen, der für
die Trocknungscharakteristik kennzeichnend ist, wo die Neigung besteht,
daß in
den (nicht gezeigten) Zelleneinheiten der Brennstoffzelle 402 eine
Abnahme des Feuchtigkeitsgehalts stattfindet. Es ist auch zu bemerken,
daß der
Luftkanal 440 einem Oxidantgaskanal entspricht und der
Stromsensor 430 einer Strommeßvorrichtung.
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Es
erfolgt nun eine detaillierte Beschreibung einer Grundabfolge der
Aktionen des Brennstoffzellensystems 400 und des zugeordnete
Verfahrens unter Bezugnahme auf die 45 und 46.
Die 45 ist ein Flußdiagramm
zur Darstellung einer Grundabfolge der Aktionen zur Steuerung des
Betriebszustands der Brennstoffzelle 402 durch Steueraktionen,
die die durch den Steuerabschnitt 410 derart ausgeführt werden,
daß der
lokalisierte Strom der Zelleneinheiten in einem gegebenen Bereich
liegt. Die 46 zeigt auch ein Diagramm
zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt in der
Brennstoffzelle 402 und einem lokalisierten Stromwert der
Brennstoffzelle 402.
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Zunächst wird
beim Schritt S140 durch den Stromsensor 430 der lokalisierte
Strom gemessen, der für
den Trocknungscharakter kennzeichnend ist und es wird im folgenden
Schritt S142 ermittelt, ob der lokalisierte Strom geringer ist als
ein erster vorab gegebener Wert I (siehe 46).
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Falls
beim Schritt S142 der lokalisierte Strom geringer ist als der erste
vorab eingestellte Stromwert I1, ist anzunehmen,
daß die
Elektrolytmembran in einem der Lufteinlaßabschnitt 436 eng
benachbarten Bereich ausgetrocknet ist mit dem Ergebnis einer Zunahme
des Widerstands der Elektrolytmembran, was den dem Lufteinlaßabschnitt 436 zugeordneten
lokalisierten Strom veranlaßt,
abzunehmen. Deshalb kann bei einer solchen Situation angenommen
werden, daß der
Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 402 sich
verknappt hat, und der Steuerabschnitt 410 steuert das
Kühlsystem 408 so,
daß die
Betriebstemperatur der Brennstoffzelle sinkt. Insbesondere übt der Steuerabschnitt 410 beim
schritt S144 eine solche Steuerung aus, daß die Drehzahl des Lüfters 422 zunimmt,
während
beim Schritt S146 der Öffnungsgrad
des Dreiwegeventils 420 so erhöht wird, daß der Durchfluß des über den
Kühler 414 geführten Kühlwassers
zunimmt, wodurch die Kühlleistung
des Kühlsystems 408 auf
einen über
dem Normalbetrieb liegenden Wert angehoben wird. Dies erlaubt es
der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 402 abzusinken,
was eine Zunahme der relativen Feuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle 402 zum Ergebnis
hat, woraus sich eine Zunahme der Benetzung der Elektrolytmembran
ergibt.
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Im
Gegensatz dazu wird, wenn im Schritt S142 der lokalisierte Strom
den ersten vorgegebenen Stromwert I1 übersteigt,
im folgenden Schritt S148 von der Steuervorrichtung 410 ein
Stromsteuerwert beibehalten und die Aktion schreitet weiter zum
Schritt S152.
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Im
folgenden Schritt S152 wird entschieden, ob der lokalisierte Strom
einen zweiten vorgegebenen Stromwert I2 überschreitet (vorausgesetzt
daß I1<I2, siehe 46).
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Falls
beim Schritt S 152 der lokalisierte Strom den zweiten vorgegebenen
Stromwert I2 überschreitet, dann ist anzunehmen,
daß im
Inneren der Brennstoffzelle ein übermäßiger Feuchtigkeitsgehalt vorhanden
ist, der in einem Bereich der Elektrolytmembran, in einer dem Lufteinlaßabschnitt 436 näher gelegenen
Position, eine Abnahme des Widerstands verursacht, mit einer sich
dadurch ergebenden Zunahme des dem Lufteinlaßabschnitt 436 zugeordneten
lokalisierten Stroms. Deshalb besteht ein Bedürfnis, die Betriebstemperatur
der Brennstoffzelle 402 anzuheben um die Verdampfung des
Wassers zu erleichtern und den Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der
Brennstoffzelle 402 zu reduzieren, und dadurch das Auftreten
einer übermäßigen Feuchtigkeit
innerhalb der Brennstoffzelle 402 auszuschließen. Demgemäß wird beim
Schritt S154 der Steuerabschnitt 410 derart aktiv, daß er die
Drehzahl des Lüfters 422 abwärts steuert,
während
im folgenden Schritt S156 der Öffnungsgrad
des Dreiwegeventils 420 so geändert wird, daß der Durchfluß des über den
Bypasskanal 418 geführten
Kühlwassers
zunimmt und dadurch die Kühlleistung
des Kühlsystems 408 auf
ein niedrigeres Niveau als beim Normalbetrieb absinkt. Das ermöglicht es,
die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 402 zu erhöhen und
dadurch di Verdampfung des Wassers im Inneren der Brennstoffzelle 402 zu fördern.
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Im
Gegensatz dazu wird bei den folgenden Schritten S158, S160, wenn
beim Schritt S152 der lokalisierte Strom geringer ist als der zweite
vorgegebene Stromwert I2, durch den Steuerabschnitt 410 die Steuerung
so ausgeführt,
daß der
Drehzahl des Lüfters 422 und
dem Öffnungsgrad
des Dreiwegeventils 420 gestattet wird, ihre jeweils dem
Normalbetrieb zugeordneten Werte wieder einzunehmen, so das die Kühlleistung
des Kühlsystems 408 auf
das Niveau für den
Normalbetrieb eingestellt wird.
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Wie
oben dargelegt wurde, steuert beim Brennstoffzellensystem 400 der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
der Steuerabschnitt 410 die Brennstoffzelle so, daß der lokalisierte
Strom der Zelleneinheit so gesteuert wird, daß er in einem gegebenen Bereich
zwischen dem ersten gegebenen Stromwert I1 und
dem zweiten gegebenen Stromwert I2 liegt.
Wie in 45 gezeigt, besteht eine Wechselbeziehung
zwischen dem lokalisierten Stromwert und dem Feuchtigkeitsgehalt.
Somit wird durch eine derartige Steuerung der Brennstoffzelle 402,
daß sie
einem lokalisierten Strom, der der Zelleneinheit an dem spezifizierten
lokalen Bereich zugeordnet ist, wo der Mangel an Feuchtigkeitsgehalt
leicht stattfindet, gestattet, im gegebenen Bereich zwischen dem
ersten gegebenen Stromwert I1 und dem zweiten
gegebenen Stromwert I2 zu liegen, wodurch
der Feuchtigkeitsgehalt im richtigen Verhältnis gesteuert wird.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem 400 der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
führt die Steuerung
des lokalisierten Stroms in einer Weise, die ihn veranlaßt, in einem
geeigneten Bereich zu liegen, zu der Fähigkeit, den Feuchtigkeitsgehalt
der Brennstoffzelle 402 im richtigen Verhältnis zu
steuern. Auch kann, weil der lokalisierte Strom der Zelleneinheit
sich schnell entsprechend der Veränderung des Feuchtigkeitsgehalts
der Brennstoffzelle 402 verändert, der lokalisierte Strom
schnell gesteuert werden.
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(Elfte Ausführungsform)
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Ein
Brennstoffzellensystem einer elften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung und ein zugeordnetes Verfahren werden unten unter Bezugnahme
auf die 47 und 48 besprochen,
wobei die gleichen Bestandteile wie beim zehnten Ausführungsbeispiel
mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden, um Wiederholungen
in der Beschreibung zu vermeiden.
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Das
Brennstoffellensystem 451 der elften Ausführungsform
unterscheidet sich von der zehnten Ausführungsform dadurch, daß bei der
zehnten Ausführungsform
der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 402 durch Regulierung
der Temperatur der Brennstoffzelle 402 gesteuert wird,
während
bei der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 402 gesteuert
wird durch die Regelung der Befeuchtungsrate des der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden
Reaktionsgases.
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Die 47 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung
der Gesamtanordnung des Brennstoffzellensystems 450 der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform,
und die 48 ist ein Flußdiagramm
zur Darstellung einer Grundabfolge der Aktionen zur Steuerung eines
Betriebszustands der Brennstoffzelle in der Weise, daß unter
den Steueraktionen des Brennstoffzellensystems 450 der
lokalisierte Strom in einem gegebenen Bereich liegt.
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Wie
in 47 gezeigt, schließt das Brennstoffzellensystem 450 der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
eine Befeuchtungsvorrichtung 451 zur Steuerung wenigstens
eines Befeuchtungsverhältnisses
des der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden Oxidantgases und/oder
eines Befeuchtungsverhältnisses
des der Brennstoffzelle zuzuführenden Brenngases
ein. Die Befeuchtungsvorrichtung 451 schließt einen
Luftbefeuchter 452 ein, der zur Befeuchtung der Luft im
Luftkanal 22 stromab von der Luftversorgungsquelle 20 angeordnet
ist, und einen Wasserstoffbefeuchter 454, der zur Befeuchtung
des Wasserstoffs im Wasserstoffkanal 26 stromab der Wasserstoffversorgungsquelle 24 angeordnet
ist.
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Das
Brennstoffzellensystem 450 schließt weiter einen Steuerabschnitt 456 ein,
durch den die Befeuchter 452, 454 der Befeuchtungsvorrichtung 451 in
einer nachfolgend im Detail beschriebenen Weise gesteuert werden.
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Wie
in 48 gezeigt, mißt zunächst beim Schritt S162 der
Stromsensor 430 den lokalisierten Strom der Zelleneinheit
der Brennstoffzelle 402. Beim folgenden Schritt S164 erhöht dann,
wenn der lokalisierte Strom geringer ist als der erste vorgegebene
Stromwert I1, im Schritt S166 der Steuerabschnitt 456 das
Luftbefeuchtungsverhältnis,
wobei die Benetzung der (nicht gezeigten) Elektrolytmembran erleichtert
wird. Im Gegensatz dazu wird, falls beim Schritt S154 der lokalisierte
Strom den ersten gegebenen Stromwert I1 überschreitet,
beim Schritt S168 vom Steuerabschnitt 456 ein Stromwert
aufrechterhalten.
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Beim
nachfolgenden Schritt S170 betätigt der
Steuerabschnitt 456, falls der lokalisierte Strom den zweiten
vorgegebenen Wert I2 überschreitet, den Luftbefeuchter 452 derart,
daß das
Luftbefeuchtungsverhältnis
abnimmt, wodurch der Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Brennstoffzelle 402 reduziert wird.
Im Gegensatz dazu wird, falls beim Schritt S170 der lokalisierte
Strom geringer ist als der zweite vorgegebene Stromwert I2, im folgenden Schritt S174 durch den Steuerabschnit 456 der
Luftbefeuchter 452 derart betätigt, daß das Luftbefeuchtungsverhältnis wird
auf den normalen wert zurückgesetzt
wird.
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Mit
der vorstehend behandelten Struktur ermöglicht es die Steuerung des
lokalisierten Stroms der Brennstoffzelle 402 dem lokalisierten
Strom; im gegebenen Bereich zwischen dem ersten vorgegebenen Stromwert
I1 und dem zweiten vorgegebenen Stromwert
I2 zu bleiben, was eine verläßliche Betriebsweise
zur Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts der Brennstoffzelle 402 im
richtigen Verhältnis
zur Folge hat.
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Mit
dem Brennstoffzellensystem 450 der gegenwärtig betrachteten,
vorstehend dargelegten Ausführungsform
werden die gleichen vorteilhaften Wirkungen erzielt wie jene der
zehnten Ausführungsform.
Auch kann der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 402 schnell
gesteuert werden, wenn der Feuchtigkeitsgehalt in der mit der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
beschriebenen Weise gesteuert wird.
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Außerdem ist,
obwohl das Brennstoffzellensystem 450 gemäß der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform
in Verbindung mit einer beispielsweisen Struktur beschrieben wurde,
bei der nur das Luftbefeuchtungsverhältnis gesteuert wird, keine Begrenzung
auf eine solche besondere Anordnung beabsichtigt, und alternative
Anordnungen können
nur den Wasserstoffbefeuchter enthalten, durch den nur das Wasserstoffbefeuchtungsverhältnis gesteuert wird.
Bei einer anderen Alternative können
sowohl der Luftbefeuchter 452 und der Wasserstoffbefeuchter 454 betrieben
werden, um das Luftbefeuchtungsverhältnis bzw. das Wasserstoffbefeuchtungsverhältnis zu
steuern.
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(Zwölfte Ausführungsform)
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Es
werden nun nachfolgend unter Bezugnahme auf die 49 und 50 ein
Brennstoffzellensystem nach einer zwölften Ausführungsform und ein zugeordnetes
Verfahren beschrieben, wobei die gleichen Bestandteile wie jene
der zehnten Ausführungsform
mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, um Weitschweifigkeiten
der Beschreibung zu vermeiden. Die gegenwärtig betrachtete Ausführungsform
unterscheidet sich von der zehnten Ausführungsform dadurch, daß bei der
zehnten Ausführungsform
der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle durch die Steuerung
der Temperatur der Brennstoffzelle gesteuert wird, während bei
der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
der Druck der der Brennstoffzelle 402 zugeführten Luft
dem Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 402 steuert.
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Die 49 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung
der Gesamtanordnung eines Brennstoffzellensystems 460 gemäß der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform,
und die 50 ist ein Flußdiagramm,
das die Grundabfolge der Aktionen unter den Steueraktionen des Brennstoffzellensystems 460 der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform darstellt,
zur Steuerung des Betriebszustands der Brennstoffzelle in der Weise,
daß der
lokalisierte Strom in einem gegebenen Bereich liegt.
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Wie
in 49 gezeigt, schließt das Brennstoffzellensystem 460 der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
eine Druckreglereinheit 461 ein, die ein Druckregelventil 462,
umfaßt,
das im Luftauslaßkanal 32 stromab
von der Brennstoffzelle 402 angeordnet ist.
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Das
Brennstoffzellensystem 460 schließt weiter einen Steuerabschnitt 464 ein,
durch den das Luftdruckreglerventil 462 in der unter im
Detail beschriebenen Weise gesteuert wird.
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Wie
in 50 gezeigt, mißt beim ersten Schritt S176
der Stromsensor 430 den lokalisierten Strom der Zelleneinheit
der Brennstoffzelle 402. Wird beim folgenden Schritt S178
festgestellt, daß der
lokalisierte Strom geringer ist als der erste vorgegebene Stromwert
I1, betätigt
im folgenden Schritt S180 der Steuerabschnitt 464 das Luftdruckreglerventil 464 derart,
daß der
Druck der der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden Luft ansteigt, wodurch
die relative Luftfeuchtigkeit angehoben wird, was die Benetzung der
(nicht gezeigten) Elektrolytmembran erhöht. Wenn im Gegensatz dazu
beim Schritt S178 der lokalisierte Strom den ersten gegebenen Wert
I1 übersteigt,
behält
der Steuerabschnitt 464 den Stromsteuerwert bei.
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Beim
folgenden Schritt S184 betätigt
der Steuerabschnitt 464, wenn der lokalisierte Strom den zweiten
vorgegebenen Wert I2 übersteigt, das Luftdruckregelventil 462 derart,
daß der
Druck der der Brennstoffzelle zuzuführenden Luft sinkt, was die Verdampfung
von Wasser innerhalb der Brennstoffzelle 402 erleichtert:
Im Gegensatz dazu betätigt
der Steuerabschnitt 464, wenn beim Schritt S184 der lokalisierte
Strom geringer ist als der vorgegebene Wert I2,
das Luftdruckregelventil 462 derart, daß der Druck der der Brennstoffzelle
zuzuführenden
Luft auf den normalen Wert zurückgesetzt
wird.
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Mit
der oben erwähnten
Anordnung erlaubt die Steuerung des Drucks der der Brennstoffzelle
zuzuführenden
Luft in Abhängigkeit
von dem lokalisierten Strom der Zelleneinheit der Elektrolytmembran eine
geeignete Feuchtigkeit zwischen dem ersten vorab eingestellten Stromwert
I1 und dem zweiten vorab eingestellten Stromwert
I2, was eine verläßliche Betriebsweise der Brennstoffzelle 402 zur
Folge hat. Dementsprechend besitzt das Brennstoffzellensystem 460 nach
der derzeit betrachteten Ausführungsform
den gleichen Vorteil wie jene der zehnten Ausführungsform.
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(Dreizehnte Ausführungsform)
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Ein
Brennstoffzellensystem einer dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung und ein zugehöriges
Verfahren werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 51 und 52 beschrieben,
wobei gleichen Elementen wie jenen der zehnten Ausführungsform
gleiche Bezugszahlen zugewiesen wurden, um Wiederholungen in der
Beschreibung zu vermeiden.
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Die
dreizehnte Ausführungsform
unterscheidet sich von der zehnten Ausführungsform dadurch, daß in der
zehnten Ausführungsform
zur Steuerung der Feuchtigkeit der Brennstoffzelle 402 die
Temperatur der Brennstoffzelle 402 benutzt wurde, während bei
der dreizehnten Ausführungsform
die Steuerung der Temperatur der der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden
Luft zur Steuerung der Feuchtigkeit der Brennstoffzelle 402 benutzt
wird.
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Die 51 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung
der Gesamtanordnung des Brennstoffzellensystems 407 der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
und die 52 ist ein Flußdiagramm
zur Darstellung der Grundabfolge von Aktionen zur Steuerung eines
Betriebszustands der Brennstoffzelle 402 in der Weise,
daß unter
den Steuerungsaktionen des Brennstoffzellensystems 470 der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
der lokalisierte Stromwert in einem gegebenen Bereich liegt.
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Wie
in 51 gezeigt, schließt das Brennstoffzellensystem 470 der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
eine Temperaturreglereinheit 471 ein, die aus einem Kühler 472 besteht,
der in den Luftkanal 22 stromab von der Luftversorgungsquelle 20 angeordnet
ist, um einen Wärmetausch
zwischen der der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden
Luft und der Atmosphäre
(der atmosphärischen
Luft) durchzuführen,
um die Temperatur des der Brennstoffzelle 402 zuzuführend Oxidantgases
zu regeln, und aus einem Lüfter 474,
der einen Luftstrom zum Kühler
fördert.
Das Brennstoffzellen system 470 schließt außerdem eine Steuerung ein,
durch die der Kühler 472 und
der Lüfter 474 in
einer nachfolgend im Detail beschriebenen Weise gesteuert werden.
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Wie
in 52 gezeigt, mißt beim Schritt 5190 der
Stromsensor 430 den lokalisierten Strom der Zelleneinheit
der Brennstoffzelle 402. Wenn im festgestellt wird, daß der lokalisierte
Strom geringer ist als der erste voreingestellte Stromwert I1, wird im Schritt S194 durch den Steuerabschnitt 476 der
Lüfter 472 aktiviert,
so daß der
Durchfluß der
dem Kühler 472 zuzuführenden
Luft erhöht
wird, um deren Kühlungskapazität zur Absenkung
der Temperatur der der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden
Luft zu erhöhen,
wodurch die relative Feuchtigkeit zur Erleichterung der Benetzung
der (nicht gezeigten) Elektrolytmembran erhöht wird. Im Gegensatz dazu
behält im
Schritt S196 der Steuerabschnitt 476 den Stromsteuerwert
bei, wenn der lokalisierte Strom den ersten voreingestellten Stromwert
I1 überschreitet.
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Falls
Im folgenden Schritt S197 festgestellt wird, daß der lokalisierte Strom den
zweiten voreingestellten Stromwert I2 überschreitet,
dann senkt der Steuerabschnitt 476 die Drehzahl des Lüfters 474, um
die Kühlkapazität des Kühlers 472 zu
senken, damit die Temperatur der der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden
Luft erhöht
wird, was die Verdampfung der Feuchtigkeit in der Bennstoffzelle 402 erleichtert. Falls
beim Schritt S197 im Gegensatz dazu festgestellt wird, daß der lokalisierte
Strom geringer ist als der zweite voreingestellte Stromwert I2, dann wird im folgenden Schritt S199 der
Steuerabschnitt 476 den Durchfluß der vom Lüfter geförderten Luft so regeln, daß die Temperatur
der zur Brennstoffzelle 402 zu fördernden Luft auf den normalen
Wert zurückgeführt wird.
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Bei
der oben erwähnten
Anordnung erlaubt die Regelung der Temperatur des der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden
Oxidantgases in Abhängigkeit von
dem dem spezifizierten Bereich der Elektrolytmembran zugeordneten
lokalisierten Strom die genaue Steuerung der Feuchtigkeit der Brennstoffzelle 402,
was zu einer verläßlichen
Betriebsweise zur Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts der Brennstoffzelle 402 im
richtigen Verhältnis
führt.
Dementsprechend hat das Brennstoffzellensystem 470 der
gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
den gleichen Vorteil wie jenes der zehnten Ausführungsform.
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(Vierzehnte Ausführungsform)
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Ein
Brennstoffzellensystem gemäß der vierzehnten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und ein zugeordnetes Verfahren werden
nachfolgend unter Bezugnahme auf die 53 beschrieben,
wobei den gleichen Elementen wie jenen der zehnten Ausführungsform
gleiche Bezugszahlen zugewiesen wurden, um Wiederholungen in der
Beschreibung zu vermeiden.
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Beim
Brennstoffzellensystem 480 der dreizehnten Ausführungsform
wird die Feuchtigkeit der Brennstoffzelle 402 gesteuert
durch die Steuerung der Temperatur der der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden
Luft, und die gegenwärtig
betrachtete Ausführungsform
unterscheidet sich von der dreizehnten Ausführungsform dadurch, daß die vierzehnte
Ausführungsform
einen Wärmetauscher
enthält
zur Steuerung der Temperatur der der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden
Luft, der eine im Detail unterschiedliche Struktur gegenüber der
dreizehnten Ausführungsform
aufweist.
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Die 53 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung
der Gesamtanordnung des Brennstoffzellensystems 480 der
vierten modifizierten Form der vierten Ausführungsform.
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Wie
in 53 gezeigt, schließt das Brennstoffzellensystem 480 der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
schließt
eine Temperaturreglereinheit 482 ein, die im Luftkanal 22 stromab
von der Luftversorgungsquelle 20 angeordnet ist, um einen
Wärmeaustausch
zwischen der der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden
Luft und dem Kühlwasser
des Kühlsystems 408 zu
bewirken. Das Kühlsystem 408,
das als Temperaturregler dient, schleißt weiter einen Kanal 484 für ein zur
Luftkühlung
dienendes Kühlmittel ein
und ein zweites Dreiwegeventil 486, das in der Lage ist,
kontinuierlich den Kühlwasserdurchfluß zur Temperaturreglereinheit 482 zu
regeln. Das Brennstoffzellen system 480 schließt weiter
einen Steuerabschnitt 488 ein, durch den das zweite Dreiwegeventil 486 gesteuert
wird.
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Bei
einer solchen Anordnung mißt
der Stromsensor 430 den lokalisierten Strom der Zelleneinheit der
Brennstoffzelle 402. Und falls der lokalisierte Strom geringer
ist als der erste vorab eingestellte Stromwert I1,
dann bestätigt
der Steuerabschnitt 488 das zweite Dreiwegeventil 486 derart,
daß der
Durchfluß des
der Temperaturreglereinheit 482 zuzuführenden Kühlwassers erhöht wird,
um DIE Kühlungskapazität der Temperaturreglereinheit 482 zu
erhöhen
und dadurch die Temperatur der der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden
Luft zu senken, um dadurch die relative Feuchte zu erhöhen und
die Benetzung der (nicht gezeigten) Elektrolytmembran zu erleichtern.
Falls im Gegensatz dazu festgestellt wird, daß der lokalisierte Strom den
ersten vorgegebenen Stromwert I1 übersteigt,
dann steuert des Steuerabschnitt 488 das zweite Dreiwegeventil 486 derart, daß der Durchfluß des der
Temperaturreglereinheit 482 zuzuführenden Kühlwassers so geregelt wird, daß die Temperatur
der der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden Luft auf das normale
Niveau zurückgesetzt
wird.
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Weiter
steuert dann, wenn der lokalisierte Strom den zweiten vorgegebenen
Stromwert I2 übersteigt, der Steuerabschnitt 488 das
zweite Dreiwegeventil 486 so, daß der Durchfluß der zur
Temperaturreglereinheit 492 zu fördernden Kühlwassers abnimmt, um die Kühlungskapazität der Temperaturreglereinheit 482 zu
senken und die Verdampfung der Feuchtigkeit in Inneren der Brennstoffzelle 402 zu
erleichtern. Falls dazu im Gegensatz festgestellt wird, daß der lokalisierte
Strom geringer ist als der zweite vorgegebene Stromwert I2, dann steuert der Steuerabschnitt 488 das
zweite Dreiwegeventil 486 derart, daß der Durchfluß des Kühlwassers
zur Temperaturreglereinheit 482 geeignet ist, die Temperatur
der der Brennstoffzelle 402 zugeführten Luft auf das normale Niveau
zurückzuführen.
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Bei
der vorstehend geschilderten Anordnung ermöglicht es die Steuerung der
Temperatur des der Brennstoffzelle 402 zuzuführenden
Oxidantgases in Abhängigkeit
von dem dem spezifizierten lokalen Bereich der Brennstoffzelle 402 zugeordneten lokalisierten
Strom, die relative Feuchte der Brennstoffzelle 402 so
zu steuern, daß sie
in einem optimalen Bereich liegt, was zu einer verläßlichen
Betriebsweise bei der Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts der Brennstoffzelle 402 im
richtigen Verhältnis
führt.
Dem entsprechend bietet das Brennstoffzellensystem 480 der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
den gleichen Vorteil wie jenes nach der zehnten Ausführungsform.
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(Fünfzehnte Ausführungsform)
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Als
nächstes
werden ein Brennstoffzellensystem gemäß einer fünfzehnten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung und ein ihm zugeordnetes Verfahren im Detail
beschrieben unter Bezugnahme auf die 54 bis 56.
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Das
Brennstoffzellensystem der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform
wird bei einem elektrischen Fahrzeug (brennstoffzellengetriebenes
Fahrzeug) angewandt, das geeignet ist, durch eine Energiequelle
in Form einer Brennstoffzelle betrieben zu werden.
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Die 54 ist eine schematische Ansicht zu Darstellung
der Gesamtanordnung des Brennstoffzellensystems 500 nach
der fünfzehnten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und die gleichen Elemente wie jene der
ersten und der zehnten Ausführungsform
tragen gleiche Bezugszahlen, um Wiederholungen in der Beschreibung
zu vermeiden.
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Wie
in 54 gezeigt, umfaßt das Brennstoffzellensystem
der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
eine Brennstoffzelle 402, eine Wasserstoffversorgungseinheit 501 einschließlich einer Wasserstoffversorgungsquelle 24 und
eines Wasserstoffauslaßventils 502,
das im Wasserstoffauslaßkanal 40 angeordnet
ist, um den Wasserstoffauslaßkanal 40 zu öffnen und
zu schließen,
eine eine Luftpumpe umfassende Luftversorgungsquelle 20,
ein Kühlsystem 408,
das als Temperaturreglereinheit dient, und einen Steuerabschnitt 504,
um die Wasserstoffkonzentration der Brennstoffzelle 402 zu
verändern, die
Kühlwasserpumpe 416,
das Dreiwegeventil 420 und den Lüfter 422. Die Wasserstoffversorgungseinheit 501 dient
der Steuerung der Wasserstoffkonzentration der Brennstoffzelle 402 in
Abhängigkeit
vom lokalisierten Strom, der repräsentativ ist für die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik
der Brennstoffzelle 402 in einer nachfolgend im Detail
beschrieben Weise.
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Der
Steuerabschnitt 504 schließt eine Steuerung ein, die
eine elektronische Steuereinheit (ECU) umfaßt, die einen Mikrocomputer
mit einer CPU, einem ROM, einem RAM und der zugehörigen peripheren
Schaltung einschließt.
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Die
Brennstoffzelle 402 ist in ihrer Struktur identisch mit
der Brennstoffzelle 12 des Brennstoffzellensystems 10 der
ersten Ausführungsform
und schließt
einen Stapel von Zelleneinheiten ein, deren jede die gleiche MEA
einschließt
wie jene der Brennstoffzelle 12, bei der der Lufttrenner
und ein Wasserstofftrenner 510 die MEA sandwichartig zwischen sich
einschließen.
Es wird deshalb eine detaillierte Beschreibung der Brennstoffzelle 402 hier
zur Vereinfachung der Beschreibung weggelassen.
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Die 55 zeigt eine schematische Struktur des der (nicht
gezeigten) MEA zugeordneten Wasserstofftrenners 510. Der
Wasserstofftrenner 510 besteht aus einem Trennerkörper 512,
der mit einem Wasserstoffeinlaßabschnitt 514 ausgebildet
ist, der mit dem Wasserstoffkanal 26 verbunden ist, einem Wasserstoffauslaßabschnitt 516,
der mit dem Wasserstoffauslaßkanal 40 verbunden
ist, und einem Wasserstoffkanal 518, der in Form einer
Ausnehmung zwischen dem Wasserstoffeinlaßabschnitt 514 und
dem Wasserstoffauslaßabschnitt 516 ausgebildet
ist, um einem Wasserstoffstrom zu ermöglichen, vom Wasserstoffeinlaßabschnitt 514 zum
Wasserstoffauslaßabschnitt 516 zu
fließen.
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Der
Wasserstofftrenner ist in einer plattenartigen Gestalt ausgebildet
und der Wasserstoffeinlaßabschnitt 514 und
der Wasserstoffauslaßabschnitt 516 erstrecken
sich durchgehend in einer zur Ebene des Trennerkörpers 512 rechtwinkligen
Ebene. Der Wasserstoffkanal 518 ist im Trennerkörper 512 in
einem Mäandermuster
ausgeformt.
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Obwohl
die Lage des Stromsensor 430 in 55 schematisch
so dargestellt ist, als sei er in einem lokalisierten Bereich des
Trennerkörpers 512 in einer
Position angeordnet, die sich nahe beim Wasserstoffauslaßabschnitt 516 befindet,
ist doch zu verstehen, daß bei
der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
der Stromsensor 430 tatsächlich in einem lokalen Bereich
der Brennstoffzelle 402 montiert ist, die für eine Wasserstoffkonzentrationscharakteristik
kennzeichnend ist und wo die Neigung. besteht, daß ein Wasserstoffmangel
auftritt, d.h. in einer Position, in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 516 des
Wasserstofftrenners 510.
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Es
sei hier erwähnt,
daß aufgrund
des Vorhandenseins von Stickstoff oder Dampf, der durch die positive
Elektrode (Oxidantelektrode) dringt, die Wasserstoffkonzentration
im Wasserstoffkanal 518 speziell in einem in enger Nachbarschaft
zum Wasserstoffauslaßabschnitt 516 gelegenen
lokalisierten Bereich abnimmt. Deshalb ist bei der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
der Stromsensor 430 auf der Brennstoffzelle 402 in
einem spezifizierten lokalen Bereich befestigt, der kennzeichnend
ist für
die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik, wo die Neigung zu einem
Mangel an Wasserstoff besteht, d.h. in einer Position, die dem Wasserstoffauslaßabschnitt 516 des
Wasserstofftrenners 512 entspricht, um den lokalisierten
Strom zu messen, der die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik
der Brennstoffzelle 402 repräsentiert. Es ist zu verstehen,
daß der
Wasserstoffkanal 518 einem Brenngaskanal und der Stromsensor 430 einer
Strommeßvorrichtung entspricht.
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Nun
wird eine Grundabfolge der Aktionen des Brennstoffzellensystems 500 und
eines zugeordneten Verfahrens unter Bezugnahme auf die 56 sowie 57A und 57B beschrieben. Die 56 ist
ein Flußdiagramm
zur Darstellung einer Basissequenz der Aktionen zur Steuerung eines
Betriebszustands der Brennstoffzelle 402 unter den Steueraktionen,
die von dem Steuerabschnitt 504 derart ausgeführt werden,
daß die
Wasserstoffkonzentration in Abhängigkeit
vom lokalisierten Strom der Zelleneinheit geregelt wird. Die 57A und 57B zeigen
Diagramme zur Darstellung der Bezie hung zwischen dem lokalisierten,
dem Wasserstoffauslaßabschnitt
zugeordneten Stromwert und der Auslaßmenge des Wasserstoffs.
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Zunächst mißt beim
Schritt S200 der Stromsensor 430 den lokalisierten Strom
der Zelleneinheit in deren in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt
516 gelegenem lokalen Bereich und im folgenden Schritt S202 wird
herausgefunden, ob der lokalisierte Strom geringer ist als ein gegebener Strom
I0 (siehe 57A).
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Falls
beim Schritt S202 festgestellt wird, daß der die Wasserstoffkonzentrationscharakteristik
repräsentierende
lokalisierte Strom geringer ist als der gegebene Strom I0, wird angenommen, daß in dem spezifizierten lokalen
Bereich in der Nähe
des Wasserstoffauslaßabschnitts 516 ein
Wasserstoffmangel besteht. Deshalb öffnet in einer solchen Situation
auf den Schritt S204 folgend der Steuerabschnitt 504 das Wasserstoffauslaßventil 502,
um Stickstoff und Dampf, die im Wasserstoffauslaßabschnitt 516 verbleiben,
zusammen mit nicht von der Reaktion erfaßtem Wasserstoff das Entweichen
zur Außenseite
des Systems zu ermöglichen.
Dadurch wird übrigbleibendem
Stickstoff und Dampf das Entweichen ermöglicht mit der Folge, daß die Wasserstoffkonzentration
ansteigt, was dazu führt,
daß der
lokalisierte, dem Wasserstoffauslaßabschnitt 516 zugeordnete
Strom ansteigt.
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Falls
im Gegenteil beim Schritt S202 der lokalisierte Strom den gegebenen
Strom I0 übersteigt, wird angenommen,
daß eine
erforderliche Minimalmenge von Wasserstoff im Wasserstoffauslaßabschnitt 516 der
Zelleneinheit erhöht
wird, und deshalb schließt
im folgenden Schritt S206 der Steuerabschnitt 54 das Wasserstoffauslaßventil 502,
um den Austritt von nicht von der Reaktion erfaßtem Wasserstoff zu unterbrechen.
Auf diese Weise wird Wasserstoff an die Atmosphäre in intermittierender Folge
abgegeben, wie in 57B gezeigt. Nach der Ausführung einer
Serie dieser Aktivitäten
wird im Wasserstoffauslaßabschnitt 516 der
erforderliche Minimalbetrag an Wasserstoff vergrößert und die Menge des nicht
von der Reaktion erfaßten
und nach außen
entleerten Wasserstoffs wird minimiert, was ein Gleichgewicht zur
Folge hat zwischen einer Anti- Verschlechterung
der Elektrode und der Verhinderung einer Verschlechterung des Wirkungsgrades.
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Wie
oben dargelegt, kann mit dem Brennstoffzellensystem 500 der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
das Auftreten einer Verknappung des Wasserstoffs in der Zelleneinheit
der Brennstoffzelle wirksam verhindert werden, während die Menge des auszustoßenden,
von der Reaktion nicht erfaßten
Wasserstoffs so gering wie möglich
ist, weil der Steuerabschnitt 504 vorgesehen ist, der eine
solche Steuerung durchführt,
daß, falls
ein dem Wasserstoffauslaßabschnitt 516 der
Zelleneinheit 402 zugeordneter lokalisierter Strom geringer
ist als der gegebene Strom I0 nicht von
der Reaktion erfaßter
Wasserstoff usw. nach der Außenseite
des Systems ausgestoßen
werden, um die Wasserstoffkonzentration in der Zelleneinheit 402 zu
erhöhen,
während
dann, wenn dem Wasserstoffauslaßabschnitt 516 zugeordnete
lokalisierte Strom den gegebenen Strom I0 übersteigt,
das Ablassen des nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoffs usw. unterbrochen
wird.
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Während das
Brennstoffzellensystem 500 nach der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform oben
in Verbindung mit einer beispielhaften Anordnung beschrieben wurde,
in der das im Wasserstoffauslaßkanal 40 angeordnete
Wasserstoffauslaßventil 502 voll
geöffnet
oder voll geschlossen ist, ist keine Beschränkung hierauf beabsichtigt
und eine Alternative kann eine Anordnung einschließen, die
ein Wasserstoffauslaßventil
der Bauart aufweist, dessen Öffnungsgrad
veränderlich
geregelt werden kann, um die Menge des nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoffs
usw. zu steuern, die ausgestoßen
werden soll.
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Bei
einer solchen Anordnung kann das Wasserstoffauslaßventil 502 so
geregelt werden, daß, wenn
der dem Wasserstoffauslaßabschnitt 516 zugeordnete
lokalisierte Strom der Zelleneinheit den gegebenen Strom I0 übersteigt,
der Öffnungsgrad
des Wasserstoffauslaßventils
leicht reduziert wird, um nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoff
usw. mit niedrigem Durchfluß nach
der Außenseite
des Systems auszutreibenden, während
dann, wenn der dem Wasserstoffauslaßabschnitt 516 der
Zelleneinheit zugeordnete lokalisierte Strom geringer ist als der
gegebene Strom I0, der Öffnungsgrad des Wasserstoffauslaßventils
erhöht
wird, um nicht von der Reaktion erfaßtem Wasserstoff usw. zu gestatten,
mit einem Durchfluß nach
der Außenseite
des Systems ausgetrieben zu werden, der höher ist als wenn der lokalisierte
Strom den gegebenen Strom I0 übersteigt.
Dies führt
zu einem Erfolg darin, beim Wasserstoffauslaßabschnitt der Zelleneinheit
einen Mangel an Wasserstoff zu vermeiden, was eine in hohem Maße gesteigerte
Zuverlässigkeit
des Betriebes zur Folge hat.
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(Sechzehnte Ausführungsform)
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Ein
Brennstoffzellensystem einer sechzehnten Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung und ein zugeordnetes Verfahren werden nachfolgend unter
Bezugnahme auf die 58 beschrieben.
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Das
Brennstoffzellensystem 520 nach der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
unterscheidet sich von dem Brennstoffzellensystem 500 der
fünfzehnten
Ausführungsform
darin, daß in
der fünfzehnten
Ausführungsform
das Brennstoffzellensystem 500 eine Bauform ohne Kreislauf
darstellt, bei welcher nicht von der Reaktion erfaßter Wasserstoff usw.,
die nicht für
die Reaktion in der Brennstoffzelle benutzt wurden, nach der Außenseite
des Systems durch den Wasserstoffauslaßkanal 40 ausgetrieben werden,
und beim gegenwärtig
betrachteten Ausführungsbeispiel
besitzt die Wasserstoffversorgungseinheit 501 des Brennstoffzellensystems 520 eine
Anordnung des Zirkulationstyps, bei welcher nicht von der Reaktion
erfaßter
Wasserstoff usw. über
einen Gasrückführkanal 522 zum
Wasserstoffkanal 26 zurückgeführt werden.
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Die 58 ist eine schematische Ansicht, die eine Gesamtanordnung
des Brennstoffzellensystems 520 der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, wobei die gleichen Elemente wie jene der fünfzehnten
Ausführungsform
gleiche Bezugszahlen tragen, um die Beschreibung zu vereinfachen.
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Wie
in 58 gezeigt, umfaßt das Brennstoffzellensystem
der der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform 520 der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
zusätzlich
einen Wasserstoffrückführkanal 522,
der eine Verbindung zwischen dem Wasserstoffkanal 216 und
dem Brenngasauslaßkanal 40 darstellt,
eine Wasserstoffumwälzpumpe 524, die
im Wasserstoffrückführkanal 522 angeordnet
ist, um nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoff usw. unter
Druck zum Brenngasauslaßkanal 40 zu
fördern.
Der Brenngasauslaßkanal 40 besitzt
einen Zweigkanal 40a, der vom Wasserstoffrückführkanal 522 abzweigt,
und das Wasserstoffauslaßventil 502 ist
im Zweigkanal 40a angeordnet. Der Wasserstoffrückführkanal 522 entspricht
einem Rückführkanal der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
und das Wasserstoffauslaßventil 502 entspricht
einem Auslaßventil
der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform.
Ein Wasserstoffsteuerventil 526.
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Wie
in 28 gezeigt schließt das Brennstoffzellensystem 520 weiter
einen Steuerabschnitt 528 ein, der aus einer Steuerung
besteht, die auf den lokalisierten Strom der Zelleneinheit 402 anspricht, um
Steuersignale zu erzeugen, die der Luftpumpe 20, der Kühlwasserpumpe 416,
dem Dreiwegeventil 420, dem Lüfter 422, den Wasserstoffauslaßventil 502,
der Wasserstoffumwälzpumpe 524 und
dem Wasserstoffsteuerventil 526 zugeleitet werden.
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Bei
der in Betrieb befindlichen, vorstehend beschriebenen Anordnung
mißt der
Stromsensor 430 den lokalisierten Strom der Zelleneinheit 402 im
spezifizierten lokalen Bereich in der engen Nachbarschaft des Wasserstoffauslaßabschnitts 516 (siehe 55) und es wird entschieden, ob der lokalisierte Strom
geringer ist als ein gegebener Strom I0.
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Falls
der lokalisierte Strom geringer ist als der gegebene Strom I0, öffnet
der Steuerabschnitt 528 das Wasserstoffauslaßventil 502,
um im Wasserstoffauslaßabschnitt 516 der
Zelleneinheit verbliebenen Stickstoff und Dampf zusammen mit nicht
von der Reaktion erfaßtem
Wasserstoff zur Außenseite des
Systems zu entleeren. Das erlaubt es, den verbliebenen Stickstoff
und den Dampf mit einer resultierenden Zunahme der Wasserstoffkonzentration
auszutreiben, was zu einer Zunahme des dem Wasserstoffauslaßabschnitt 516 zugeordneten
lokalisierten Stroms führt.
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Falls
im Gegensatz hierzu der lokalisierte Strom den gegebenen Strom I0 übersteigt,
schließt der
Steuerabschnitt 528 das Wasserstoffauslaßventil 502 um
den Ausstoß von
nicht von der Reaktion erfaßten
Wasserstoff usw. zur Außenseite
zu unterbrechen. Wenn dies stattfindet, wird die Wasserstoffumwälzpumpe 524 durch
den Steuerabschnitt 528 aktiviert, um es zu ermöglichen,
nicht von der Reaktion erfaßten
Wasserstoff durch den Rückführkanal 522 und
den Wasserstoffkanal 26 zur Wiederverwendung zur Brennstoffzelle 420 zurückzuführen.
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Nach
der Ausführung
einer Serie dieser Aktionen wird die verbleibende Minimalmenge des
Wasserstoffs im Wasserstoffauslaßabschnitt 516 vergrößert und
die Menge des nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoffs wird minimiert,
mit dem Ergebnis eines Gleichgewichts zwischen einer Anti-Verschlechterung
an der Elektrode und einer Verhinderung der Verschlechterung des
Wirkungsgrads. Somit hat das Brennstoffzellensystem 520 der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
den gleichen Vorteil wie jene der fünfzehnten Ausführungsform.
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Während das
Brennstoffzellensystem 520 der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform
in Verbindung mit einer beispielhaften Anordnung beschrieben wurde,
die dann, wenn der lokalisierte Strom geringer ist als der gegebene
Strom I0, das Wasserstoffauslaßventil 502 öffnet, um
die Wasserstoffkonzentration im Wasserstoffauslaßabschnitt 516 der
Zelleneinheit 402 zu erhöhen, st durch eine spezielle
Anwendung keine Begrenzung beabsichtigt.
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Eine
Alternative kann eine Struktur einschließen, bei der, falls der lokalisierte
Strom den gegebenen Strom I0 übersteigt,
der Steuerabschnitt 528 die Wasserstoffumwälzpumpe 524 mit
einer niedrigen Drehzahl antreibt, um nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoff
zur Zelleneinheit 402 mit geringem Durchfluß zurückzuführen, und
falls der lokalisierte Strom geringer ist als der gegebene Strom
I0, treibt der Steuerab schnitt 528 die
Wasserstoffumwälzpumpe
mit einer erhöhten
Drehzahl an, um nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoff usw. mit einem
höheren
Durchfluß als
dem Durchfluß,
der eingestellt ist, wenn der lokalisierte Strom den gegebenen Strom
I0 übersteigt,
zur Brennstoffzelle 402 zurückzuführen, um dadurch Stickstoff
und Dampf, die im Wasserstoffauslaßabschnitt 516 verbleiben,
sicher zur Zelleneinheit 402 zurückzuführen und dadurch die Wasserstoffkonzentration
im Wasserstoffauslaßabschnitt 516 der
Brennstoffzelle 402 zu erhöhen.
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Bei
einer anderen Alternative kann das Brennstoffzellensystem 520 eine
Struktur annehmen, bei welcher dann, wenn der lokalisierte Strom
den gegebenen Strom I0 übersteigt, der Steuerabschnitt 528 die
Aktion der Wasserstoffumwälzpumpe 524 unterbricht,
um die Rückführung des
nicht von der Reaktion erfaßten
Wasserstoffs usw. zur Zelleneinheit 402 zu verhindern,
während
dann, wenn der lokalisierte Strom geringer ist als der gegebene
Strom I0, der Steuerabschnitt 528 die
Wasserstoffumwälzpumpe
mit der erhöhten
Drehzahl antreibt, um den nicht von der Reaktion erfaßten Wasserstoff
usw. zur Zelleneinheit 402 zurückzuführen, um Stickstoff und Dampf,
die im Wasserstoffauslaßabschnitt 516 verbleiben,
zur Zelleneinheit zurückzuführen und
dadurch die Wasserstoffkonzentration im Wasserstoffauslaßabschnitt 516 der
Zelleneinheit 402 zu erhöhen.
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Auch
kann die Wasserstoffumwälzpumpe 524 einen
Verdichter einschließen,
oder eine Strahlpumpe usw. In diesem Zusammenhang versteht man unter
Strahl- oder Ejektorpumpe eine die Wirkung der kinetischen Energie
nutzende Pumpe, die ein Strömungsmittel
durch eine Energieaustauschaktion fördert, die von einem mit hoher
Geschwindigkeit austretenden Strömungsmittelstrahl
ausgeübt
wird, wobei die Pumpe insbesondere eine Anordnung aufweist, die
die Strömungsenergie
des von der Wasserstoffversorgungsquelle 24 zugeführten Wasserstoffs nutzbar
macht, um damit den nicht durch die Reaktion erfaßten Wasserstoff
usw. mitzuziehen und ihn dadurch zurückzuführen.
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(Siebzehnte Ausführungsform)
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Eine
Strommeßvorrichtung
einer siebzehnten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Gebrauch bei einem Brennstoffzellensystem wird nachfolgend
unter Bezugnahme auf die 59 bis 64 im
Detail beschrieben.
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Die 59 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung
einer Brennstoffzelle als ein Beispiel einer Energieeinheit, die
eine Strommeßvorrichtung der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
einschließt,
die 60 ist eine schematische Seitenansicht
der in 59 gezeigten Brennstoffzelle,
die 61 ist eine perspektivische
Ansicht der in 59 gezeigten Strommeßvorrichtung, 62A ist eine Frontansicht der Strommeßvorrichtung, 62B ist eine Ansicht der rechten Seite der Strommeßvorrichtung, 62C ist ein Querschnitt nach der Linie A3-A3 in 62A, 62D ist
ein Querschnitt nach der Linie B1-B1 in 62A, 63 ist eine Transparentansicht eines Lufttrenners
der in 60 gezeigten Brennstoffzelle
und die 64 ist eine Transparentansicht
eines in 60 gezeigten Wasserstofftrenners
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Obwohl
die Strommeßvorrichtung
nach der der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
aus einer Mehrzahl von Stromsensoren besteht, ist als einbezogen
in die in den 61 und 62A bis 62D gezeigte Strommeßvorrichtung nur ein einziger
Stromsensor dargestellt.
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Wie
in 59 gezeigt schließt die Brennstoffzelle 550 eine
feste Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle ein und besteht aus einem
Stapel von Zelleneinheiten 552 die in Serie verbunden sind.
Wie in 60 gezeigt, schließt jede
der Zellen 552 eine MEA (Membrane Elektrode Assembly: Electrolyte and
Electrode Complex body) [Membran-Elektrode-Anordnung:
Elektrolyt und Elektrode-Komplexkörper] 553 ein, und
einen Lufttrenner 555 und einen Wasserstofftrenner 557,
zwischen welchen die MEA 553 sandwichartig angeordnet ist.
Die MEA 654 besteht aus einer Elektrolytmembran, einer
auf einer Oberfläche
der Elektrolytmembran ausgebildeten Luftelektrode (Sauerstoffelektrode)
und einer Wasserstoffelektrode (Brenngaselektrode) auf der anderen
Seite der Elektrolytmembran.
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Die
Trenner 555, 557 sind jeder aus einem plattenartigen
Element gebildet, das aus Kohlenstoff oder einem elektrisch leitenden
Metall besteht. Die Brennstoffzelle 550 besitzt außerdem Anschlußplatten 554 und 556,
die auf beiden Seiten des Stapels 550 angeordnet sind,
um dessen Ausgangsleistung aufzunehmen. Und die Strommeßvorrichtung 558 ist zwischen
benachbarten Zelleneinheiten 552, 552 angeordnet.
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Wie
in 59 gezeigt, wird die Brennstoffzelle 550 mit
Luft und Wasserstoff versorgt. Wie durch eine durchgehende Linie
in 60 angezeigt, besitzt der Lufttrenner 555 einen
Luftkanal 559 zur Verteilung von Sauerstoff zu den Oberflächen der Luftelektroden,
und wie durch einen Pfeil in einer durchgehenden Linie in 60 angezeigt, wird den entsprechenden Zelleneinheiten 552 durch
den Luftkanal 559 parallel Sauerstoff zugeführt. Gleichermaßen hat
der Wasserstofftrenner einen Wasserstoffkanal 561, um Wasserstoff
auf die Oberflächen
der Brenngaselektroden zu verteilen, und wie durch einen Pfeil in
der strichpunktierten Linie in 60 gezeigt
ist, wird Wasserstoff mittels des Wasserstoffkanals 561 parallel
den entsprechenden Zelleneinheiten 552 zugeführt. Um
die Elektrolytmembran in einem geeigneten Befeuchtungszustand zu
halten, werden die der Brennstoffzelle 550 zugeführten Ströme von Luft
und Wasserstoff durch die Befeuchtungsvorrichtung in einer nachfolgend
beschriebenen Weise befeuchtet.
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Wie
in 61 und den 52A bis 62D gezeigt, besteht die Strommeßvorrichtung
aus einem plattenartigen elektrischen Leiter 570, der aus
elektrisch leitendem Metall besteht und der mit einem ausgenommenen
Abschnitt 571 ausgebildet ist, dessen eines Ende in einer
Frontfläche
und dessen anderes Ende in einer Seitenfläche des elektrisch leitenden
Metallkörpers 570 liegt,
und aus einem Stromleiter 572 aus elektrisch leitendem
Metall, der als lokalisierter Strompfad dient und sich durch den ausgenommenen
Abschnitt 571 des elektrischen Leiters 570 erstreckt.
Der Stromleiter 572 endet mit einem Ende in der Frontfläche des
elektrisch leitenden Metallkörpers 570 und
mit dem anderen Ende in der Seitenfläche des elektrisch leitenden
Metallkörpers 570.
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Die
Strommeßvorrichtung 558 umfaßt weiter eine
elektrisch isolierende Schicht 574 die innerhalb des ausgenommenen
Abschnitts 571 angeordnet ist, um eine elektrische Isolierung
zwischen dem elektrischen Leiter 570 und dem Stromleiter 572 zu
schaffen, eine äußere Anschlußleitung 576,
die sich vom elektrischen Leiter 570 und dem Stromleiter 572 nach außen erstreckt,
um eine elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Leiter 570 und
dem Stromleiter 572 in einem Umleitungsbereich außerhalb
der Zelleneinheit 552 zu schaffen, und einen Stromsensor 580,
der in der äußeren Anschlußleitung 576 angeordnet
ist, um den durch sie fließenden
lokalisierten Strom zu ermitteln.
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Ein
Plattenelement 582, das aus dem elektrischen Leiter 570,
dem Stromleiter 472 und der elektrisch isolierenden Schicht 574 besteht,
ist zwischen die zwei Zelleneinheiten 552, 552 (siehe 59) eingefügt.
In einer solchen Situation sind die beiden Endflächen 570a, 570b des
elektrischen Leiters 570, die einer Stapelrichtung der
Zelleneinheiten zugewandt sind, in elektrischem Kontakt mit den
benachbarten Zellen 552, 552 gehalten.
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Der
Stromleiter 572 besitzt eine freie Endfläche 572a,
die, ausgerichtet in Bezug auf die eine Endfläche 570a des elektrischen
Leiters 570 im elektrischem Kontakt mit einer zugeordneten
Zelleneinheit 552 gehalten werden kann, und eine andere
freie Endfläche 572b,
die in der Seitenfläche 570c des elektrischen
Leiters 570 freiliegt und nicht in elektrischem Kontakt
mit der Zelleneinheit 552 gehalten wird.
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Die
Seitenfläche 570c des
elektrischen Leiters 570 und die andere freie Endfläche 572b des Stromleiters 572 sind
elektrisch mit einer anderen elektrischen Anschlußleitung 576 verbunden
um lokalisierten Strom zu leiten, der durch den Stromsensor 280 ermittelt
wird.
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Bei
der vorstehend dargelegten Anordnung wird der von der Brennstoffzelle 550 abgeleitete Strom
aufgeteilt, wenn er über
die Strommeßvorrichtung
fließt.
Das heißt,
der von einer Brennstoffzelle 552 gelieferte und durch
die eine, in Kontakt mit der einen Zelleneinheit 552 gehaltene
Endfläche 570a des
elektrischen Leiters 570 zur anderen, in elektrischem Kontakt
mit der anderen Endfläche 570b des elektrischen
Leiters 570 stehenden Zelleneinheit 552, fließende Strom
wird aufgeteilt in einen elektrischen Hauptstrom, der nur durch
den elektrischen Leiter 570 fließt, und einen Hilfsstrom, der
durch den Stromleiter 572, die äußere Anschlußleitung 576 und den
elektrischen Leiter 570 fließt.
-
Der
lokalisierte Strom fließt
vom der einen freien Endfläche 572a,
die auf der zugehörigen
Zelleneinheit 552 in Fläche-an-Fläche-Zuordnung
angeordnet ist, in den Stromleiter 572 und die äußere Anschlußleitung 576,
wodurch es dem Stromsensor 580 ermöglicht wird, den lokalisierten
Strom der Zelleneinheit 552 zu messen.
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Die 63 ist eine Transparentansicht des Lufttrenners 555,
von der rechten Seite der 60 aus
gesehen. Wie in 63 gezeigt, besitzt der Lufttrenner 555 einen
Lufteinlaßabschnitt 555a,
geeignet zur Verbindung mit dem Luftkanal 559 der Brennstoffzelle 550,
einen Luftauslaßabschnitt 555b geeignet
zur Verbindung mit dem Luftkanal 559 der Brennstoffzelle 550,
und einen Luftkanal 555c ausgebildet zwischen dem Lufteinlaßabschnitt 555a und dem
Luftauslaßabschnitt 555b,
um Luft hindurchzuleiten. Der Lufttrenner 555 entspricht
auch einem ersten Trenner der vorliegenden Erfindung, der Luftkanal 555c entspricht
einem Oxidantgaskanal, der Lufteinlaßabschnitt entspricht einem
Oxidantgaseinlaßabschnitt
und der Luftauslaßabschnitt 555b entspricht
einem Oxidantgasauslaßabschnitt.
Die 64 ist eine Transparentansicht
des Wasserstofftrenners 557 von der rechten Seite der 60 aus gesehen. Wie in 64 gezeigt,
besitzt der Wasserstofftrenner 557 einen Wasserstoffeinlaßabschnitt 557a,
der geeignet ist, mit dem Wasserstoffkanal 561 der Brennstoffzelle 550 verbunden
zu werden, einen Wasserstoffauslaßabschnitt 557b, der
geeignet ist, mit dem Wasserstoffkanal 561 der Brennstoffzelle 550 verbunden
zu werden, und einen Wasserstoffkanal 557c, der zwischen
dem Wasserstoffeinlaßabschnitt 557a und
dem Wasserstoffauslaßabschnitt 557b ausgebildet
ist, um Wasserstoff hindurchzuleiten. Auch entspricht der Wasserstofftrenner 557 einem
zweiten Trenner der vorliegenden Erfindung, der Wasserstoffkanal 557c entspricht
einem Brenngasanal, der Wasserstoffeinlaßabschnitt 557a einem Brenngaseinlaßabschnitt
und der Wasserstoffauslaßabschnitt
einem Brenngasauslaßabschnitt
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Der
Stromleiter 572, die Isolationsschicht 574, die äußere Anschlußleitung 576 und
der Stromsensor 580, die in 61 und 62A bis 62D gezeigt
sind, sind in einem spezifizierten lokalisierten Bereich angeordnet,
in der der lokalisierte Strom der Brennstoffzelle gemessen werden
muß. Insbesondere
sind der Stromleiter 572, die Isolationsschicht 574, die äußere Anschlußleitung 576 und
der Stromsensor 580 in der Strommeßvorrichtung 558 angeordnet in
einem ersten Bereich in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaß0abschnitt 555a (ein
Bereich F dargestellt durch einen schraffierten Bereich in 63), einem zweiten Bereich in enger Nachbarschaft
zum Wasserstoffeinlaßabschnitt 557a (ein
Bereich G dargestellt durch einen schraffierten Bereich in 64) und einen dritten Bereich in enger Nachbarschaft zum
Wasserstoffauslaßabschnitt 557b (ein
Bereich H dargestellt durch einen schraffierten Bereich in 64).
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Wenn
der Anteil an der Brennstoffzelle 550 zuzuführender
Befeuchtungsluft abnimmt, trocknet der näher am Lufteinlaßabschnitt 555a gelegene
Bereich der Elektrolytmembran aus. Wie in der der ersten Ausführungsform
zugeordneten 7 gezeigt, trocknet die Elektrolytmembran
in dem in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaßabschnitt 555a gelegenen
Bereich, in dem der Protonenleitungswiderstand zunimmt, um ein Absinken
des elektrischen Stroms zu verursachen, mit Abnahme der Luftfeuchtigkeit ψa aus.
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In ähnlicher
Weise wird der lokalisierte Bereich der Elektrolytmembran 555,
der näher
am Wasserstoffeinlaßabschnitt 557a liegt,
austrocknen, wenn der Anteil des der Brennstoffzelle 550 zuzuführenden,
befeuchtenden Wasserstoffs abnimmt. Der Protonenleitungswiderstand
nimmt im getrockneten Bereich der Elektrolytmembran zu und veranlaßt ein Absinken
des elektrischen Stroms. Auch verändert sich der elektrische
Strom des getrockneten Bereichs aufgrund der Trocknung der Elektrolytmembran
infolge der Reduktion des Anteils des befeuchtenden Wasserstoffs
in der gleichen Weise wie der in 7 gezeigte
elektrische Strom, der mit der Abnahme der Feuchtigkeit ψa abnimmt.
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Deshalb
wird es durch Messung der elektrischen Ströme I, d.h. des Lufteinlaßstroms
Ia•ein
und des Wasserstoffeinlaßstroms
Ih•ein
in enger Nachbarschaft zum Lufteinlaßabschnitt 555a und
des Wasserstoffeinlaßabschnitts 557a,
wo die Elektrolytmembran dazu neigt, auszutrocknen, möglich, einen trockenen
Zustand der Elektrolytmembran der Brennstoffzelle 550 zu
diagnostizieren. Insbesondere falls der Lufteinlaßstrom Ia•ein und
der Wasserstoffeinlaßstrom
Ih•ein
geringer sind als ein gegebener Stromwert, kann angenommen werden,
daß ein
trockener Zustand der Elektrolytmembran besteht. Auch kann der gegebene
Stromwert auf einen Wert gleich 90% eines Stromwertes gesetzt werden,
bei dem kein trockener Zustand auftritt.
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Falls
im Gegensatz hierzu die Werte für
die Befeuchtung von Luft und Wasserstoff übermäßig bleiben, erfährt die
Elektrode einen nassen Zustand mit übermäßigem Feuchtigkeitsgehalt.
Wenn das stattfindet, sammeln sich meistens Flüssigkeitströpfchen in dem Bereich in der
Nähe des
Wasserstoffauslaßabschnitts 557b an
und verursachen das Auftreten eines übermäßigen Feuchtigkeitsgehalts
und somit wird die Gegenwart eines übermäßigen Feuchtigkeitsgehalts
in der Nähe
des Wasserstoffauslaßabschnitts 557b feststellbar.
Der Grund, warum der Bereich in enger Nachbarschaft des Wasserstoffauslaßabschnitts 557b zu übermäßiger Nässe neigt,
beruht darauf, daß Wasser
vom Wasserstoffeinlaßabschnitt 557a zum
Wasserstoffauslaßabschnitt 557b durch
den Wasserstoffkanal 557c transportiert wird und zusätzlich Wasserstoff
verbraucht wird, mit einer daraus resultierenden Abnahme des Wasserstoffdurchflusses,
was ein Absinken der Fähigkeit
zur Folge hat, Wassertröpfchen
auszutreiben. Die 8 zeigt die Veränderung
des lokalisierten Stroms in dem lokalen Bereich, der einem übermäßigen Feuchtigkeitszustand
der Elektrode in Fällen
ausgesetzt ist, in denen mit der Zunahme des Volumens der Wassertröpfchen Vw,
die sich im Wasserstoffauslaßabschnitt
sammeln, die Elektrode unter der übermäßigen Feuchtigkeit leidet.
Es wird somit, wenn das Volumen der Wassertröpfchen zunimmt, die Durchdringung
von Gas gestört,
was ein Absinken der Leistungsausgabe der Brennstoffzelle 550 verursacht.
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Weiter
tritt, wenn der Durchfluß des
der Brennstoffzelle 550 zuzuführenden Wasserstoffs unzureichend
ist, und auch weil sich in dem Bereich in der Nähe des Wasserstoffauslaßabschnitts
ein Mangel an Wasserstoff zeigt, ein Absinken des elektrischen Stroms
in dem Bereich in der Nähe
des Wasserstoffauslaßabschnitts 557b der
MEA 553 auf, wie dies in der auf die erste Ausführungsform
bezogenen 9 gezeigt ist. Wie in 9 gezeigt,
sinkt der Strom I in dem Bereich in der Nähe des Wasserstoffauslaßabschnitts
sofort und schnell, wenn ein Mangel an Wasserstoff auftritt.
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Nach
einer solchen Erscheinung kann abgeschätzt werden, daß, wenn
der elektrische Strom, d.h. der Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus im Bereich der MEA 553 näher am Wasserstoffauslaßabschnitt 557b geringer
ist als der gegebene Stromwert; der übermäßige Feuchtigkeitszustand oder
der Mangel an Wasserstoff in der Brennstoffzelle 550 auftritt. Auch
kann der gegebene Stromwert auf einen Wert gesetzt werden, der 90%
eines Stromwertes gleicht, der der auftritt, wenn die Elektrolytmembran
sich in einem übermäßigen Feuchtigkeitszustand
befindet und ein Mangel an Wasserstoff besteht.
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Hier
sinkt der elektrische Strom I in dem Bereich in der Nähe des Wasserstoffauslaßabschnitts 557b in
jedem Fall beim Auftreten eines übermäßigen Feuchtigkeitszustandes
und bei Verknappung des Wasserstoffs und es besteht kein Bedarf
für eine Spezifizierung
der Ursache für
das Absinken des Stroms.
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Der
elektrische Strom I, der dem lokalen Bereich in enger Nachbarschaft
des Wasserstoffauslaßabschnitts 557b zugeordnet
ist, verändert
sich in einer Weise, die im Diagramm der 10 dargestellt ist,
die sich auf die erste Ausführungsform
bezieht, während
des Auftretens eines Wasserstoffmangels. Der dem lokalen Bereich
in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt zugeordnete elektrische Strom
I verändert
sich beim Auftreten einer übermäßigen Feuchtigkeit
und des Mangels an Wasserstoff mit der Sinkgeschwindigkeit, die
in dem der ersten Ausführungsform
zugeordneten Diagramm der 11 dargestellt
ist, Hier bezieht sich der Ausdruck „Stromsinkgeschwindigkeit" auf den absoluten
Wert des Betrages der Stromänderung pro
Zeiteinheit. In den 10 und 11 bezeichnen
die ausgezogenen Linien die Charakteristika während des Auftretens eines
Wasserstoffmangels und tI kennzeichnet dien Zeitpunkt, zu dem eine übermäßiger Feuchtigkeitsgehalt
und die Verknappung des Wasserstoffs auftreten.
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Wie
die 10 und 11 bei
einem Vergleich zwischen elektrischen Strömen zeigen, die entstehen,
während
ein übermäßiger Feuchtigkeitszustand
und ein Mangel an Wasserstoff besteht, fällt der elektrische Strom I
rasch beim Auftreten eines Wasserstoffmangels. Es wird deshalb möglich, die Faktoren
zu spezifizieren, die für
das Absinken des elektrischen Stroms I verantwortlich sind, indem
man die Stromsinkgeschwindigkeit benutzt, mit der der elektrische
Strom während
des Auftretens der Wasserstoffverknappung sinkt. Insbesondere, wenn
der Wasserstoffauslaßstrom
Ih•aus
geringer ist als der gegebene Stromwert und die Stromsinkgeschwindigkeit
geringer ist als eine gegebene Stromsinkgeschwindigkeit d1 (siehe 11), kann angenommen werden, daß in der
MEA 553 ein übermäßiger Feuchtigkeitsgehalt
aufgetreten ist. Gleichermaßen
kann, wenn der Wasserstoffauslaßstrom
Ih•aus
geringer ist als der gegebene Stromwert und die Stromsinkgeschwindigkeit
die gegebene Sinkgeschwindigkeit dIl überschreitet, angenommen werden,
daß in
der MEA 553 ein Mangel an Wasserstoff aufgetreten ist.
Die gegebene Stromsinkgechwindigkeit dI1 wird auf den Wert von etwa
1,0 (mA/SEC/cm2) gesetzt.
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Als
nächstes
wird ein Verfahren zum Diagnostizieren der Faktoren beschrieben,
die für
das Sinken der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 550 verantwortlich
sind, unter Benutzung der Strommeßvorrichtung 558.
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Zunächst mißt der auf
der MEA 553 angebrachte Stromsensor 580 im Bereich
in der Nähe
des Lufteinlaßabschnitts 555 den
Lufteinlaßstrom
Ia•ein. Dieser
lokalisierte Strom wird verglichen mit dem gegebenen Stromwert,
und falls der Lufteinlaßstrom Ia•ein geringer
ist als der gegebene Stromwert, kann angenommen werden, daß die Elektrolytmembran
einen trockenen Bereich aufweist. Falls, im Gegensatz hierzu, der
Lufteinlaßstrom
Ia•ein
den gegebenen Stromwert übersteigt,
kann angenommen wer den, daß die
Elektrolytmembran keinen trockenen Bereich aufweist. Deshalb kann
in Gegenwart der Diagnose, daß die
Elektrolytmembran keinen trockenen Bereich aufweist, angenommen
werden, daß die
Feuchtigkeit ψa
der der Brennstoffzelle 550 zuzuführenden Luft sich am unteren
Niveau befindet und der Befeuchter kann aktiviert werden, um das
Befeuchtungsverhältnis
der der Brennstoffzelle 550 zuzuführenden Luft anzuheben.
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Als
nächstes
mißt der
auf der MEA 553 in dem Bereich in der Nähe des Wasserstoffeinlaßabschnitts 557a angeordnete
Stromsensor 580 den Wasserstoffeinlaßstrom Ih•ein, Dieser lokalisierte Strom
wird mit dem gegebenen Stromwert verglichen und falls der Wasserstoffeinlaßstrom Ih•ein geringer ist
als der gegebene Stromwert, kann die Diagnose erfolgen, daß die Elektrolytmembran
einen trockenen Bereich aufweist. Falls im Gegensatz hierzu der Wasserstoffeinlaßstrom Ih•ein den
gegebenen Stromwert übersteigt,
kann die Diagnose erfolgen, daß die
Elektrolytmembran keinen trockenen Bereich aufweist. Deshalb kann
in Gegenwart der Diagnose, daß die
Elektrolytmembran einen trockenen Bereich aufweist, angenommen werden,
daß die
Feuchtigkeit ψa
der der Brennstoffzelle 550 zuzuführenden Luft sich am unteren
Niveau befindet und der Befeuchter kann aktiviert werden, um das
Befeuchtungsverhältnis
der der Brennstoffzelle 550 zuzuführenden Luft anzuheben.
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Dann
mißt der
auf der MEA 553 in dem dem Wasserstoffauslaßabschnitt 557b benachbarten
Bereich angeordnete Stromsensor 580 den Wasserstoffauslaßstrom Ih•aus. Dieser
lokalisierte Strom wird mit dem gegebenen Stromwert verglichen und wenn
der Wasserstoffausgangsstrom Ih•aus
den gegebenen Stromwert überschreitet,
kann die Diagnose erfolgen, daß keine übermäßige Feuchtigkeit
vorhanden ist und in der Elektrolytmembran kein Mangel an Wasserstoff
besteht. Falls hierzu im Gegensatz festgestellt wird, daß der Wasserstoffausgangsstrom Ih•aus geringer
ist als der gegebene Stromwert und die Stromsinkgeschwindigkeit
des Wasserstoffauslaßstroms
Ih•aus
geringer ist als die gegebene Stromsinkgeschwindigkeit, kann die
Diagnose gestellt werden, daß an
der Elektrode ein Zustand übermäßiger Feuchtigkeit
herrscht. Daher kann in Gegenwart der Diagnose, daß sich die
Elektrode in einem Zustand übermäßiger Feuchtigkeit
befindet, angenommen werden, daß die
Befeuchtungsverhältnisse von
Luft und Wasserstoff übermäßig sind,
oder daß aufgrund
einer Reduzierung des Wasserstoffdurchflusses die Fähigkeit
nachgelassen hat, Wassertröpfchen
auszutreiben, und es kann die Maßnahme ergriffen werden, den
Befeuchtungsgrad des der Brennstoffzelle 550 zuzuführenden
Wasserstoffs zu senken, während
zugleich der Wasserstoffdurchfluß erhöht wird.
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Weiter
kann, wenn der Wasserstoffauslaßstrom
Ih•aus
geringer ist als der gegebene Stromwert und die Stromsinkgeschwindigkeit
des Wasserstoffauslaßstroms
Ih•aus
die gegebene Sinkgeschwindigkeit übersteigt, die Diagnose erfolgen,
daß die
Elektrode einem Wasserstoffmangel unterliegt. Somit kann, wenn die
Diagnose ergibt, daß der
Wasserstoffdurchfluß zu
gering ist, der Wasserstoffdurchfluß erhöht werden.
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Bei
der Anordnung der gegenwärtig
betrachteten, oben erläuterten
Ausführungsform
ermöglicht es
die Einbeziehung der Strommeßvorrichtung 558, die
fähig ist,
den lokalisierten Strom der Brennstoffzelle 550 zu messen,
die Diagnose bezüglich
des Trocknungszustands der Elektrolytmembran in Abhängigkeit
von Lufteinlaßstrom
Ia•ein
und vom Wasserstoffeinlaßstrom
Ih•ein
zu machen, was in Abhängigkeit
von der Stromsinkgeschwindigkeit des Luftauslaßstroms Ia•aus und des Wasserstoffauslaßstroms
Ih•aus
die Diagnose ermöglicht,
ob das Auftreten eines übermäßigen Feuchtigkeitsgehalts
oder das Auftreten eines Wasserstoffmangels an der Elektrode vorliegt.
Dies ermöglicht
es, die Faktoren für
einen Leistungsabfall der Brennstoffzelle 550 genau zu diagnostizieren.
Zusätzlich
können
die Faktoren für den
Leistungsabfall der Brennstoffzelle 550 spezifiziert werden
und es wird möglich,
die Brennstoffzelle 550 in angemessener Weise zu steuern
in Abhängigkeit
von den Faktoren für
den Leistungsabfall.
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Beispielsweise
sinkt im Falle eines Mangels an dem der Zelleneinheit 552 zuzuführenden
Wasserstoff die Stromdichte in dem lokalen Bereich in der engen
Nachbarschaft des Wasserstoffauslaßabschnitts 557b extrem
ab. Falls die Brennstoffzelle 550 veranlaßt wird,
unter dem Wasserstoffmangel ihren Betrieb durchzuführen, dann
treten Schäden
an der Elektrode der MEA 553 auf und deshalb muß eine solche
Situation so fort entdeckt werden, damit die Brennstoffzelle 550 in
einer Weise gesteuert werden kann, daß das Auftreten von Schäden verhindert wird.
Zu diesem Zweck wird es durch Verwendung der Strommeßvorrichtung 558 zum
Messen eines lokalisierten Stroms in einem lokalen Bereich, der
in enger Nachbarschaft zum Wasserstoffauslaßabschnitt 557b liegt,
um die Veränderung
des lokalisierten Stroms über
der Zeit festzustellen, möglich,
den Versorgungszustand mit Wasserstoff zu diagnostizieren, den nur
unter Verwendung der Zellenspannung herauszufinden für schwierig
gehalten wird. Abhängig
von einer solchen Messung macht es die Steuerung des Zustands der
Versorgung mit Wasserstoff möglich,
den Betriebszustand zu minimieren mit einer Wahrscheinlichkeit,
Schädigungen
so gering wie möglich
zu halten.
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Weil
der Stromsensor 580 außerhalb
des elektrischen Leiters 570 angeordnet ist, tritt bei
der Strommeßvorrichtung 558 der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
keine gegenseitige Störung des
Stromsensors 558 und des elektrischen Leiters 570 auf.
Es kann demnach der elektrische Leiter 570 zwischen benachbarte
Zelleneinheiten 552, 552 eingefügt werden.
Aus diesem Grund kann bzw. können ein
einziges Stück
einer Meßvorrichtung
oder mehrere Meßvorrichtungen 558 in
beliebiger Anordnung auf der Brennstoffzelle angebracht werden,
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Beispielsweise
ist die Zelleneinheit 552 in der Nähe des Zentrums der Brennstoffzelle 550 starker
Strahlungshitze ausgesetzt mit der Folge eines Anstiegs der Temperatur
der Brennstoffzelle und deshalb trocknet der zentrale Bereich der
Brennstoffzelle 550 schneller als die Bereiche in der Nähe der Anschlußenden.
Deshalb ermöglicht
es die Anordnung der Strommeßvorrichtung 558 in
einem Bereich in der Nähe
des Zentrums der Brennstoffzelle 550, den Trocknungszustand
der Brennstoffzelle 550 in besonders geeigneter Weise zu
diagnostizieren. Außerdem
neigt eine Zelleneinheit 552 näher am entfernten Ende der
Brennstoffzelle 550 dazu, Hitze abzustrahlen, mit dem Ergebnis,
daß die
Temperatur der Brennstoffzelle 550 sinkt, so daß eine Tendenz
zum Auftreten eines übermäßigen Feuchtigkeitsgehalts besteht.
Deshalb befähigt
die Positionierung der Strommeßvorrichtung 558 in
dem Bereich, der nahe dem entfernten Ende der Brennstoffzelle 550 liegt, die
genaue Diagnose der Gegenwart eines Zustandes übermäßiger Feuchtigkeit der Brennstoffzelle 550.
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Während die
Strommeßvorrichtung
der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
unter Bezugnahme auf eine Brennstoffzelle der Bauart mit einer festen
Polymer-Elektrolyt-Membran beschrieben wurde, ist damit keine Beschränkung auf
eine solche Ausführungsform
beabsichtigt. Die Erfindung kann auch auf eine Brennstoffzelle mit
einem Elektrolyten aus nichtorganischem Material angewandt werden.
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(Achtzehnte Ausführungsform)
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Eine
Strommeßvorrichtung 600 einer
achtzehnten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf
die 65, 66A und 66B beschrieben.
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Die 65 ist eine perspektivische Ansicht der Strommeßvorrichtung
der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform.
Die 66A ist eine Frontansicht eines
wesentlichen Teils der in 65 gezeigten
Strommeßvorrichtung 600 und 66B ist ein Querschnitt nach der Linie A4-A4 in 66A.
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Die
Strommeßvorrichtung 600 nach
der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
unterscheidet sich von jener der siebzehnten Ausführungsform dadurch,
daß bei
der siebzehnten Ausführungsfonn der
Stromsensor 580 außerhalb
des elektrischen Leiters 570 und bei der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
der Stromsensor innerhalb des elektrischen Leiters angeordnet ist.
Die Strommeßvorrichtung 600 ist
auf der Brennstoffzelle 550 angebracht wie bei der siebzehnten
Ausführungsform.
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Wie
in den 65, 66A und 66B gezeigt, schließt die Strommeßvorrichtung 600 einen plattenartigen
elektrischen Leiter 602 ein, der aus elektrisch leitendem
Metall gefertigt ist. Der elektrische Leiter 602 ist zwischen
den zwei Zelleneinheiten 552, 552 (siehe 60) unter einer Bedingung eingefügt, wonach
der elektrische Leiter 602 eine Endfläche 602a und eine
andere Endfläche 602b aufweist,
die beide in einer Stapel richtung der Zelleneinheiten nach entgegengesetzten
Richtungen orientiert sind und in elektrischem Kontakt mit den jeweils
zugeordneten Zelleneinheiten 522, 522 stehen.
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Insbesondere
ist an einer Endfläche 602a des
elektrischen Leiters 602 in einer nahe einer seiner Ecken
gelegenen Position ein rechteckiger, ausgenommener Abschnitt 604 angeordnet,
der sich in einer rechtwinklig zu einer Ebene der Endfläche 602a des
elektrischen Leiters 602 verlaufenden Richtung erstreckt.
Innerhalb des rechteckig ausgenommenen Abschnitts 604 befindet
sich ein säulenartiger
Abschnitt 606, der als ein Stromleiter dient, der eine massive
rechteckige Form aufweist und dessen Endflächen geeignet sind, in elektrischem
Kontakt mit Zelleneinheiten 522, 522 gehalten
zu werden. Obwohl die in 65 gezeigte
Struktur in Verbindung mit dem in rechteckiger Form ausgenommenen
Abschnitt 604 und der säulenartige
Abschnitt 606 in massiver rechteckiger Form gezeigt ist,
ist damit keine Beschränkung
durch die vorliegende Erfindung beabsichtigt und diese Komponenten
können
in anderer Gestalt ausgebildet werden, Beispielsweise kann der ausgenommene
Abschnitt 604 eine zylindrische Form aufweisen und der
säulenartige
Abschnitt 606 kann ebenfalls eine andere Gestalt aufweisen,
wie etwa als zylindrischer Körper.
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In
dem rechteckig ausgenommenen Abschnitt 604 ist derart,
daß er
den säulenartigen
Abschnitt 606 umschließt,
ein Eisenkern 608 angeordnet, dessen beide einander gegenüberliegende
Enden durch einen Luftspalt 610 von einander getrennt sind,
in dem ein Hall-Element 612 angeordnet ist. Somit bilden
der Kern 608 und das Hall-Element einen magnetischen Sensor,
der als Stromsensor dient.
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Im
elektrischen Leiter 602 ist derart, daß er sich vertikal zwischen
dem ausgenommenen Abschnitt 604 und einer Bodenfläche 602c des
elektrischen Leiters erstreckt eine Führungsausnehmung 603 ausgeformt,
die es ermöglicht,
eine Anschlußleitung 612a des
Hall-Elements 612 aufzunehmen. Zusätzlich besitzt der elektrische
Leiter vier Ecken mit einem Lufteinlaßkanal 602d, einem
Luftauslaßkanal 602e,
einem Wasserstoffeinlaßkanal 602f und
einem Wasserstoffauslaßkanal 602g.
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Wenn
ein von dem der einen Endfläche
des säulenartigen
Abschnitts 606 gegenüberliegenden lokalen
Bereich der Zelleneinheit 522 ausgehender lokalisierter
Strom durch den säulenartigen
Abschnitt 606 fließt,
entsteht bei der oben dargestellten Struktur ein magnetisches Feld
um den säulenartigen
Abschnitt 606 mit einer Größe proportional dem elektrischen
Strom. Das Hall-Element 512 entdeckt das durch den lokalisierten
Strom erzeugte Magnetfeld, um das erzeugte Magnetfeld in eine Spannung
umzuwandeln. Demgemäß wird es
dadurch, daß man die
Größe des Magnetfeldes
des Eisenkerns 608 mißt,
möglich,
den durch den säulenartigen
Abschnitt 606 fließenden
Strom zu entdecken, d.h. den lokalisierten Strom der Zelleneinheit 522.
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Bei
der gegenwärtig
betrachteten, oben erläuterten
Ausführungsform
ermöglicht
der Gebrauch der Strommeßvorrichtung 600 die
Entdeckung des lokalisierten Stroms der Zelleneinheit 522.
Die Entdeckung des lokalisierten Stroms der Zelleneinheit 522 macht
es möglich,
das abnormale Auftreten von Faktoren während des Betriebs der Brennstoffzelle 550 zu
spezifizieren.
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Während des
Auftretens von Mängeln
ermöglicht
das Messen elektrischer Ströme,
weil die Veränderung
eines elektrischen Stroms auf einer früheren Stufe bemerkbar auftaucht
als die Veränderung
einer Spannung, zur frühesten
Zeit die Entdeckung des Auftretens von Mängeln.
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Außerdem findet
keine gegenseitige Störung zwischen
dem magnetischen Sensor und der Zelleneinheit 522 statt
aufgrund einer besonderen Anordnung, bei welcher der Eisenkern 608 und
das Hall-Element 612, die den magnetischen Sensor bilden,
in dem ausgenommenen Abschnitt 604 des elektrischen Leiters 602 untergebracht
sind. Deshalb kann der elektrische Leiter 602 zwischen
in leichter und verläßlicher
Weise zwischen gestapelten Zelleneinheiten untergebracht werden.
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Beispiele
des magnetischen Sensors können
ein MR-Element, MI-Element und ein Flux-gate sein. Die 67A ist eine vergrößerte Frontansicht eines wesentlichen
Teils einer modifizierten Form der Strommeßvorrichtung 600,
die einen durch ein MR- Element
oder ein MI-Element gebildeten Magnetsensor 612A anwendet,
und 67B ist ein Querschnitt nach
der Linie A5-A5 in 67A.
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In
Fällen,
in welchen der magnetische Sensor aus einem Hall-Element 612 besteht,
muß das Hall-Element 612 so
angeordnet werden, daß eine Längsachse
des Hall-Elements 612 rechtwinklig zum Eisenkern, 608 verläuft (siehe 66B). In Fällen,
in welchen das MR-Element oder das MI-Element als das Sensor-Element 612A benutzt
werden, hat das Sensor-Element 612A eine am Eisenkern 608 ausgerichtete
Längsachse,
was die Reduzierung der Dicke des elektrischen Leiters 602 ermöglicht,
mit einer sich daraus ergebenden Abnahme der Dicke der Strommeßvorrichtung 600A Auch
kann die Strommeßvorrichtung
der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
in einen Lufttrenner 555, 557 einbezogen sein.
Das heißt,
wenigstens einer der Trenner 666, 667 kann aus
elektrisch leitendem Material gefertigt sein, das mit dem ausgenommenen
Abschnitt versehen ist, in dem der säulenartige Abschnitt 606 ausgebildet
ist, so daß er
von dem ausgenommenen Abschnitt umgeben wird, um die Aufnahme des
Eisenkerns und des Hall-Elements in dem ausgenommenen Abschnitt
zu gestatten. Mit einer solchen Struktur wird es durch Messen der
Größe des magnetischen
Feldes des Eisenkerns 608 unter Benutzung des Hall-Elements
möglich,
das Fließen
eines elektrischen Stroms durch den säulenartigen Abschnitt festzustellen,
d.h. des lokalisierten Stroms der Zelleneinheit 552. Auch
in diesem Fall verursacht der Gebrauch der Trenner 555, 557 keine
Notwendigkeit für
eine neue Vorbereitung des plattenförmigen elektrischen Leiters.
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(Neunzehnte Ausführungsform)
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Eine
Strommeßvorrichtung
einer neunzehnten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird beschrieben unter Bezugnahme auf
die 68, 69A, 59B und 70.
Die Strommeßvorrichtung 600A der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
nimmt eine Bauform an, die aus zwei Platten der elektrisch leitenden
Körper
der achtzehnten Ausführungsform
besteht, und die gleichen Bestandteile wie jene der achtzehnten
Aus führungsform
tragen gleiche Bezugszahlen, um eine überflüssige Beschreibung zu vermeiden.
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Die 68 ist eine perspektivische Ansicht der Strommeßvorrichtung 600A der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform;
die 69A ist eine Frontansicht eines
ersten elektrischen Leiters 602A; die 69B ist eine Frontansicht eines zweiten elektrischen
Leiters 602b; und die 70 ist
eine Querschnittsansicht entsprechend der Linie B2-B2 in 68.
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Wie
in den 68, 69A, 69B und 70 gezeigt,
besteht die Strommeßvorrichtung 600A der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
aus den zwei Platten der elektrisch leitenden Körper 602A, 502B.
Wie am besten in den 69A und 89B gezeigt, ist der elektrische Leiter 602A in
seiner Bauform identisch mit dem in 6 gezeigten
elektrischen Leiter und der elektrische Leiter 602B ist
in seiner Bauform dem elektrischen Leiter 602A ähnlich mit
der Ausnahme, daß die
einander entsprechenden Komponenten in Bezug auf eine Mittellinie
des elektrischen Leiters 602A symmetrisch angeordnet sind.
Deshalb tragen die gleichen Komponenten wie jene des elektrischen
Leiters 602A die gleichen Bezugszahlen im Interesse der
Einfachheit der Beschreibung.
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Die
elektrisch leitenden Körper 602A und 602B sind
in den 69A und 69B in
einer organisierten Form dargestellt. Das heißt, der elektrische Leiter 602B hat
einen linksseitigen Bereich, der mit dem Lufteinlaßkanal 602d und
dem Luftauslaßkanal 602e ausgebildet
ist, und einen rechtsseitigen Bereich, der mit dem Wasserstoffeinlaßkanal 602f und
dem Wasserstoffauslaßkanal 602g ausgebildet ist.
Zusätzlich
ist im elektrischen Leiter 502B der ausgenommene Abschnitt 604 in
einem Bereich in der Nähe
des Wasserstoffauslaßkanals 602g ausgebildet
wie im elektrischen Leiter 602A. Auch besitzt der elektrische
Leiter 602B den säulenartigen
Abschnitt 606, ausgebildet im ausgenommenen Abschnitt 604, und
die Führungsausnehmung 603.
Damit erzeugt das Laminieren des ersten und des zweiten elektrisch
leitenden Körpers 502A und 602B die
Strommeßvorrichtung 600A der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform,
um es ent sprechenden Komponenten zu gestatten, in einer Ebene der
Strommeßvorrichtung 600A zusammenzutreffen.
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Wie
in 70 gezeigt, werden der Eisenkern 608 und
das (nicht gezeigte) Hall-Element
in einem Raum aufgenommen, der durch die ausgenommenen Abschnitte 604, 604 der
beiden Platten der elektrisch leitenden Körper 602A, 602B definiert
wird, wenn diese Elemente laminiert werden. Der Eisenkern 608 und
das Hall-Element sind mittels eines eine elektrische Isolationseigenschaft
besitzenden Klebers in dem durch die ausgenommenen Abschnitte 604, 604 definierten
Raum fixiert. Dies erlaubt es den ausgenommenen Abschnitten 604, 604 die
säulenartigen
Abschnitte 606, 606, den Eisenkern 608 und
das Hall-Element davor zu bewahren, der Außenseite ausgesetzt zu sein.
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Wenn
die Strommeßvorrichtung 600A zwischen
den benachbarten Zelleneinheiten 552 angeordnet wird, befindet
sich die Strommeßeinheit 600A sandwichartig
zwischen den Trennern 555, 557, die normalerweise
mit einem Kühlmittelkanal
nach Art einer Ausnehmung ausgebildet sind, um den Durchfluß von Kühlwasser
zu gestatten. Mit der Bauform, bei welcher die rechteckig gestalteten,
ausgenommenen Abschnitte 604, 604 in Kontakt mit
den Oberflächen der
Trenner 555, 557 gebracht werden, entsteht ein Bedürfnis, Kühlwasserkanäle in den
Trennern 555, 557 zu gestalten, um damit diese
ausgenommenen Abschnitte zu umgehen, was eine Verringerung der Gestaltungsfreiheit
hinsichtlich der Kühlwasserkanäle zur Folge
hat. Eine Bauform vorzusehen, bei der die rechteckig ausgenommenen
Abschnitte 604, 604 nicht offenliegen, ermöglicht es,
auf den entsprechenden Oberflächen
der Trenner 555, 557 die Gestaltungsfreiheit hinsichtlich
der Kühlwasserkanäle zu erweitern.
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Weiter
schließt
die Anordnung des Eisenkerns 608 im Raum zwischen den beiden
Platten der elektrisch leitenden Körper 602A, 502B den
Eisenkern 608 davon aus, äußerer Last ausgesetzt zu werden,
was es ermöglicht,
dem Auftreten von Verzerrungen (Verspannungen) vorzubeugen. Damit
wird es möglich,
einer Verschlechterung der magnetischen Charakteristik des magnetischen
Materials aufgrund von Verzerrungen vorzubeugen.
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Die 71A und 71B und 72 zeigen eine abgewandelte Form der Strommeßvorrichtung 600A der
neunzehnten Ausführungsform.
Die 71A und 71 B
entsprechen den 69A und 69B und
die 72 entspricht der 70.
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Wie
in den 71A und 71B und 72 gezeigt, besitzt der erste elektrische Leiter 602A den
ausgenommenen Abschnitt 604 und den säulenförmigen Abschnitt 606,
während
der zweite elektrische Leiter 502B keinen rechteckigen,
ausgenommenen Abschnitt und keinen säulenartigen Abschnitt besitzt.
Wenn man diese beiden elektrisch leitenden Körper 602A, 602B zu
einer einzigen, in 72 gezeigten Struktur stapelt,
hat diese Struktur die gleiche Wirkung wie jene der in den 68 bis 70 gezeigten
Struktur.
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(Zwanzigste Ausführungsform)
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Als
nächstes
wird eine Strommeßvorrichtung 600C einer
zwanzigsten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf 73 beschrieben.
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Die 73 ist eine Querschnittsdarstellung ähnlich der
Querschnittsansicht nach der Linie B2-B2 der 68.
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Die
Strommeßvorrichtung 600C der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
unterscheidet sich von der neunzehnten Ausführungsform dadurch, daß die Strommeßvorrichtung
der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
ein Polsterungselement besitzt.
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Wie
in 73 gezeigt besteht die Strommeßvorrichtung aus einem ersten
und einem zweiten elektrisch leitenden Körper 602A, 602B,
die beide einen rechtwinkligen, ausgeschnittenen Abschnitt 604, 604 aufweisen,
um den Raum zu bilden, in dem der Eisenkern 608 angeordnet
wird. In den durch die ausgenommenen Abschnitte 604, 604 gebildeten
Raum ist ein Polsterelement 614, durch das der Eisenkern 608 in
dem zwischen den ausgenommenen Abschnitten 604, 604 gebildeten
Raum fixiert befestigt wird. Ein Beispiel für ein Polsterelement 614 kann beispielsweise
ein allgemein in Gebrauch befindliches federndes Material sein,
wie etwa Gummi oder dergleichen.
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Aufgrund
des Bedürfnisses
nach einer zwischen dem Eisenkern 608 und den ausgenommenen Abschnitten 604, 604 vorgesehenen
elektrischen Isolation, können
der Eisenkern 608 und die ausgenommenen Abschnitte 604, 604 aus
einem elektrisch isolierenden Polstermaterial bestehen oder einem
elektrischen Isolationsverfahren ausgesetzt werden, durch das Versehen
des Eisenkerns und der ausgenommenen Abschnitte 604, 604 mit
Isolationsschichten.
-
Die
Verwendung des Polsterelements 614 zur fixierten Befestigung
des Eisenkerns 608 und des Hall-Elements, wie bei der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform,
schließt
den Eisenkern 608 und das Hall-Element davon aus, in den
durch die ausgenommenen Abschnitte 604, 604 definierten
Raum lose eingepaßt
zu sein. Das befähigt
den Eisenkern 608 dazu, vor Verzerrungen (Verspannungen)
bewahrt zu bleiben, was es ermöglicht,
Verschlechterungen der magnetischen Charakteristik zu vermeiden.
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(Einundzwanzigste Ausführungsform)
-
Als
nächstes
wird unten eine Strommeßvorrichtung
einer einundzwanzigsten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 74 beschrieben.
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Die
Strommeßvorrichtung 600D der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
unterscheidet sich von der zwanzigsten Ausführungsform dadurch, daß eine Platte
eines federnden Elements 615 zwischen den ersten und den
zweiten elektrisch leitenden Körper 602A und 602B eingefügt ist.
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Die 74 ist eine Querschnittsdarstellung nach der Linie
B2-B2 der 68. Wie in 74 gezeigt, ist bei der Strommeßvorrichtung 600D der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
das aus elektrisch leitendem Material gefertigte federnde Element 615 zwischen
den ersten und den zweiten elektrisch leitenden Körper 602A und 602B eingefügt. Ein Beispiel
des federnden Elements 615 mit elektrischer Leitfähigkeit
kann ein elektrisch leitendes federndes Element einschließen, das
aus mit einem Pulver aus elektrisch leitfähigem Material, (wie etwa Kohlenstoff),
vermischtem Gummi besteht.
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Bei
der oben erörterten
Bauform ermöglicht es
die Anordnung des federnden Elements 615 mit elektrischer
Leitfähigkeit
zwischen den beiden Platten der elektrisch leitenden Körper 602A, 602B,
Unregelmäßigkeiten
der Zelleneinheit 552 oder der Strommeßvorrichtung 600D durch
Bearbeitungs- oder Montagefehler auszugleichen. Zusätzlich können thermische
Verspannungen, die sich aus Temperaturveränderungen ergeben, absorbiert
werden. Das hat zur Folge, daß ein
vorteilhafter elektrischer Kontakt zwischen der Zelleneinheit 552 und
den elektrisch leitenden Körpern 602A, 602B geschaffen wird,
der zur Verringerung des zwischen diesen Bauteilen auftretenden
Kontaktwiderstands führt.
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(Zweiundzwanzigste Ausführungsform)
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Als
nächstes
wird unten eine Strommeßvorrichtung
einer zweiundzwanzigsten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 75 beschrieben. Die gegenwärtig betrachtete Ausführungsform
unterscheidet sich von der siebzehnten Ausführungsform dadurch, daß bei der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
die Strommeßvorrichtung 558 sandwichartig
zwischen federnden Körpern
der Konstruktion der Brennstoffzelle 550 eingefügt ist.
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Die 75 ist eine Seitenansicht zur Darstellung der
Gesamtanordnung der Brennstoffzelle der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform.
Wie in 75 gezeigt, ist die Strommeßvorrichtung 558 so
an der Brennstoffzelle 550 angebracht, daß die Strommeßvorrichtung
zwischen federnden Körpern 616, 618 eingefügt ist,
die eine elektrische Leitfähigkeit
besitzen. Beispiele der federnden Körper schließen elektrisch leitende, federnde
Körper
ein, die jeder aus Gummi gemischt mit leitendem Material (wie etwa
Kohlenstoff) bestehen.
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Damit
ermöglicht
es die Verwendung der elektrisch leitenden, federnden, zwischen
den Zelleneinheiten 552 und der Strommeßvorrichtung 558 angeordneten
Elemente 616, 618, Unregelmäßigkeiten durch Bearbeitungs-
oder Montagefehler bei der Zelleneinheit 552 und der Strommeßvorrichtung 558 auszugleichen.
Zusätzlich
können
thermische Verzerrungen, die sich aus Temperaturveränderungen ergeben,
absorbiert werden. Das hat zur Folge, daß ein vorteilhafter elektrischer
Kontakt zwischen der Zelleneinheit 552 und den elektrisch
leitenden Körpern
geschaffen wird, der zur Verringerung des zwischen diesen Bauteilen
auftretenden Kontaktwiderstands führt.
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(Dreiundzwanzigste Ausführungsform)
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Eine
Stromprüfvorrichtung 640 der
dreiundzwanzigsten Ausführungsform
wird unter Bezugnahme auf die 76 und 7,
die 78A und 78B und
die 79 und 80 beschrieben. Die
Stromprüfvorrichtung
der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
bezieht die in der 61 und den 62A bis 62D gezeigten
Merkmale der Strommeßvorrichtung 558 der
siebzehnten Ausführungsform
mit ein, und die gleichen Komponenten wie jene der siebzehnten Ausführungsform
tragen die gleichen Bezugszahlen, um die Beschreibung dieser Ausführungsform
zu vereinfachen.
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Die 76 ist eine Ansicht der Anordnung der Stromprüfvorrichtung 640 unter
Verwendung der Strommeßvorrichtung 558 der
siebzehnten Ausführungsform; 77 ist eine perspektivische Ansicht der in 76 gezeigten Strommeßvorrichtung 640; 78A ist eine Ansicht von der rechten Seite zur Darstellung
der Strommeßvorrichtung 640 und
einer Zelleneinheit; 78B ist
eine Draufsicht zur Darstellung der Strommeßvorrichtung 540 und
der Zelleneinheit: 79 ist eine Ansicht zur Darstellung von
Beispielen elektrischer Stromwerte, jeweils gemessen an verschiedenen
lokalisierten Strommeßpunkten;
und 80 ist eine Ansicht zur Darstellung eines
elektrischen Stromverteilungsmusters in der Zelleneinheit, das auf
der Basis des in 79 gemessenen Resultats erhalten
wird.
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In
jeder der Zelleneinheiten der Brennstoffzelle hat die Zelleneinheit
in dem Fall, daß in
bemerkenswerter Weise Unregelmäßigkeiten
in einer bearbeiteten Oberfläche
der Brennstoffzelle auftreten, erhöhte Unregelmäßigkeiten
der Stromdichte, die das Auftreten einer Verschlechterung in der
Zelleneinheit bei einer hohen Geschwindigkeit verursachen. In Gegenwart
der Zelleneinheit mit erhöhten
Unregelmäßigkeiten
in der bearbeiteten Oberfläche,
die eine aus dem Stapel von Zelleneinheiten bildet, wird diese Zelleneinheit
in einem frühen
Stadium funktionsunfähig
und deshalb wird der Brennstoffzellenstapel selbst in der Gegenwart
anderer, normaler Zelleneinheiten funktionsunfähig.
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Weiter
nimmt, bei einer elektrischen Energiespeichereinheit mit einer großen Oberfläche, wie
bei einer Sekundärbatterie
und einem Kondensator, die jeweils aus einem Stapel mit einer großen Anzahl
von Zelleneinheiten gebildet sind, falls ein Schaden, beispielsweise
in der Verbindung zwischen Elektroden bei der Fertigung, auftritt,
der elektrische Widerstand dieses Bereichs zu, woraus Unregelmäßigkeiten
des elektrischen Stroms auf der ganzen Oberfläche der Zelleneinheiten resultieren.
Bei Gegenwart der örtlich defekten
Abschnitte in einer elektrischen Energieerzeugungscharakteristik,
verschlechtert sich die Charakteristik der betreffenden Zelleneinheit
in einem früheren
Stadium als jene der Zelleneinheit mit weniger Unregelmäßigkeiten
im elektrischen Strom auf der Oberfläche der Zelleneinheit. Jedoch
der bloße
Versuch, einfach nur die Strom-Spannungs-Charakteristik zu prüfen, führt zu der
Schwierigkeit, die Zelleneinheit mit erhöhten lokalen Unregelmäßigkeiten
bei den lokalen Fähigkeiten
zur Erzeugung elektrischer Energie zu entdecken. Deshalb neigen
die Sekundärbatterie
oder der Kondensator, die mit einem Stapel aus einer großen Zahl
von Zelleneinheiten gebildet sind, dazu, eine Mischung der Zelleneinheiten
mit unterschiedlicher Lebensdauer aufzuweisen, was eine Verschlechterung
der Zuverlässigkeit
einer Baugruppe zur Folge hat.
-
Um
ein solches Problem zu bewältigen,
wird bei der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform die
in 76 gezeigte Stromprüfungsvorrichtung benutzt, um
ein Stromdichteverteilungsmuster jeder Zelleneinheit zu messen,
um nur eine Zelleneinheit mit den geringsten Unregelmäßigkeiten
des elektrischen Stroms auszuwählen.
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Wie
in 76 gezeigt, sind eine einzelne Zelleneinheit 650,
die einen Teil einer elektrischen Speichereinheit bildet, wie einer
Brennstoffzelle, einer Sekundärbatterie
und eines Kondensators, und die Strommeßvorrichtung 640 in
einer kanalartigen Prüfungs-Einspannvorrichtung 660 in
engem Kontakt miteinander angeordnet. Die Zelleneinheit 650 und die
Strommeßvorrichtung 640 werden
mit einem relativ zur Prüfungs-Einspannvorrichtung 660 beweglichen
Spannelement 665 gegen eine innere Oberfläche der
Prüfungs-Einspannvorrichtung 660 gepreßt. Die
Zelleneinheit 650 ist elektrisch mit der elektrischen Last 666 verbunden,
durch die elektrische Energie verbraucht wird.
-
Bei
der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
besteht für
den Zweck, an einer großen Zahl
von Meßpunkten
in der Zelleneinheit 650 lokalisierte Ströme zu messen,
die Strommeßvorrichtung 640 aus
einer großen
Zahl von Bauteilen, wie den Stromleitern 572, den (zur
Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigten) Isolierschichten,
den Anschlußleitungen 576 und
den Stromsensoren 580.
-
Das
heißt,
wie in 77 und den 78A und 78B gezeigt,
umfaßt
die Stromprüfvorrichtung 640 eine
einzelne Platte eines plattenförmigen elektrischen
Leiters 570A aus elektrisch leitendem Metall, eine große Anzahl
(deren acht sind in 77 gezeigt) von ausgenommenen
Abschnitten 571, wobei die Stromleiter 572 in
den entsprechenden ausgenommenen, im Stromleiter 570A ausgebildeten Abschnitten 571 angeordnet
sind und deren jeder aus elektrisch leitendem Metall besteht, eine
große Anzahl
von (nicht gezeigten), in den entsprechenden ausgenommenen Abschnitten 571 angeordneten und
eine elektrische Isolation zwischen dem elektrischen Leiter 570A und
den entsprechenden Stromleitern 572 schaffenden Isolationsschichten,
den äußeren An schlußleitungen 576 zwischen
dem elektrischen Leiter 570A und den entsprechenden Stromleitern 572 in
Bereichen außerhalb
des elektrischen Leiters 570A und der entsprechenden Stromleiter 572,
und die mit den entsprechenden äußeren Anschlußleitungen 576 verbundenen
Stromsensoren 580.
-
Der
elektrische Leiter 570A besitzt eine Endfläche 570a,
der die einen Endflächen
des Stromleiters 572 zugewandt sind, wobei die eine Endfläche 570a des
elektrischen Leiters 570A und die entsprechenden Endflächen des
Stromleiters 572 in elektrischem Kontakt mit der Zelleneinheit 650 gehalten werden.
-
Lokalisierte
Ströme
an acht Punkten der Zelleneinheit fließen durch die entsprechenden
Stromleiter 572 und ermöglichen
den Stromsensoren 580 die lokalisierten Ströme an den
acht Punkten der Zelleneinheiten 650 zu entdecken.
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In
den 79 und 80 bezeichnet
das Bezugszeichen „a" auf der Ordinatenachse
einen Bereich, in dem ein lokalisierter Strom durch den ersten Stromsensor 580 entdeckt
wird, das Bezugszeichen „b" auf der Ordinatenachse
einen Bereich, in dem ein lokalisierter Strom durch den zweiten
Stromsensor 580 entdeckt wird, das Bezugszeichen „c" auf der Ordinatenachse
einen Bereich, in dem ein lokalisierter Strom durch den dritten
Stromsensor 580 entdeckt wird , das Bezugszeichen „d" auf der Ordinatenachse einen
Bereich, in dem ein lokalisierter Strom durch den vierten Stromsensor 580 entdeckt
wird
-
In
Beispielen der lokalisierten Ströme,
die in den 79 und 89 aufgezeichnet
sind, besitzt der lokalisierte Strom, der im Bereich d der Zelleneinheit 650 durch
den vierten Stromsensor 580 gemessen wird, einen bemerkenswert
niedrigeren Wert im Vergleich zu den anderen lokalisierten Strömen, die
in den anderen Bereichen „a" bis „c" gemessen werden. In
einem solchen Fall, in dem die Zelleneinheit Unregelmäßigkeiten
der lokalisierten Ströme
aufweist, wird entschieden, daß die
betroffene Zelleneinheit ein Qualitätsproblem hat, und der Gebrauch
einer solchen Zelleneinheit wird zurückgewiesen. Folglich wird hierdurch
die Brennstoffzelle und die elektrische Energiespeichereinheit befähigt, aus
Zelleneinheiten zu bestehen, die weniger Unregelmäßigkeiten
der lokalisierten Ströme
aufweisen, was Verbesserungen der Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle
und der elektrischen Energiespeichereinheit zur Folge hat.
-
(Vierundzwanzigste Ausführungsform)
-
Eine
Stromprüfvorrichtung 700 einer
vierundzwanzigsten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird unten unter Bezugsnahme auf die 81 und 82 beschrieben.
-
Die 81 ist eine perspektivische Ansicht der Stromprüfvorrichtung 700 der
vierundzwanzigsten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung und 82 ist eine Frontansicht eines
wesentlichen Teils der in 81 gezeigten
Stromprüfvorrichtung 700.
Die Stromprüfeinrichtung 700 der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
kann anstelle der in den 76 und 77 gezeigten
Strommeßvorrichtung 640 benutzt
werden.
-
Die
Stromprüfvorrichtung 700 der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
schließt
das Merkmal der in 65 und in den 66A und 66B gezeigten
Strommeßvorrichtung 600 der
achtzehnten Ausführungsform
ein und die gleichen Komponenten wie jene der achtzehnten Ausführungsform tragen
gleiche Bezugszahlen, um eine überflüssige Beschreibung
zu vermeiden.
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Bei
der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
besteht zum Zwecke der Messung lokalisierter Ströme an einer großen Zahl
von Meßpunkten in
der Zelleneinheit die Stromprüfvorrichtung 700 aus einer
großen
Zahl der ausgenommenen Abschnitte 604, der elektrisch leitenden,
säulenartigen
Abschnitte 606, jeweils in einer massiven, rechteckigen
Form ausgebildet, den Eisenkernen 608 und den Hall-Elementen.
-
Das
heißt,
wie in den 81 und 82 gezeigt
besteht die Stromprüfvorrichtung 700 aus
einer einzelnen Platte eines plattenförmigen elektrischen Leiters 602A,
der aus elektrisch leitendem Metall besteht und eine vordere Endfläche 602a aufweist,
und einer großen
Anzahl (deren fünfzehn
in dem in 81 gezeigten Beispiel) von
ausgenommenen Abschnitten 604 und den säulenförmigen Abschnitten 606,
die von den ausgenommenen Abschnitten 604 umgeben sind,
die alle auf der vorderen Endfläche 602a des
elektrischen Leiters 602A angeordnet sind. Weiterhin ist,
wie in 82 gezeigt, in jedem ausgenommenen
Abschnitt 604, den säulenförmigen Abschnitt
umschließend,
der Eisenkern 608 angeordnet, bei dem beide einander gegenüberliegende
Enden durch den Luftspalt 610 getrennt sind, in dem der magnetische
Sensor 612, wie ein Hall-Element, angeordnet ist. Es ist
auch zu verstehen, daß der
Eisenkern und das Hall-Element einen magnetischen Sensor bilden.
-
Wenn
die Stromprüfvorrichtung 700 anstelle der
in 77 gezeigten Stromeßvorrichtung 640 verwendet
wird, fließen
Entladeströme
an verschiedenen lokalen Bereichen der Zelleneinheit in Positionen,
die den jeweiligen säulenartigen
Abschnitten 606 entsprechen, durch die zugeordneten säulenartigen
Abschnitte 606, wobei sie Magnetfelder mit Größen erzeugen,
die jeweils im Verhältnis
zu jedem lokalisierten Strom stehen. Demgemäß wird es dadurch, daß man es
den Hall-Elementen 612 gestattet, die Größen der
Magnetfelder der jeweiligen Eisenkerne 608 zu messen, möglich, elektrische
Ströme
zu ermitteln, die durch die jeweiligen säulenförmigen Abschnitte 606 fließen, d.h.
lokalisierte Ströme
an verschiedenen Punkten der Zelleneinheit 650. Abhängig vom
Grad der Unregelmäßigkeiten
bei lokalisierten Strömen,
die auf diese oben diskutierte Weise an den fünfzehn Punkten ermittelt werden,
kann ein Urteil getroffen werden, ob die jeweilige Zelleneinheit ein
Qualitätsproblem
besitzt,
-
(Fünfundzwanzigste Ausführungsform)
-
Eine
Strommeßvorrichtung
einer fünfundzwanzigsten
Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung für
den Gebrauch in einer elektrischen Energieeinheit, wie einer Brennstoffzelle,
wird unter Bezugsnahme auf die 83A und 83B und die 84 und 85 beschrieben.
-
Die 83A ist eine perspektivische Ansicht der die Strommeßvorrichtung
nach der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
einbeziehenden Brennstoffzelle, und die 83B ist
eine vergrößerte Ansicht
der in 83A gezeigten Strommeßvorrichtung;
die 84 ist eine schematische Ansicht
der Brennstoffzelle zur Darstellung einer Entwurfsansicht, die die
Gasströmungen
innerhalb der Brennstoffzelle zeigt.
-
Wie
in den 83A und 83B und
der 84 gezeigt, umfaßt die Brennstoffzelle 800,
die der elektrischen Energieeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung
entspricht, einen Stapel einer Mehrzahl von Zelleneinheiten 850.
Jede Zelleneinheit 850 besteht aus einer MEA (Membran-Elektroden-Anordnung) 854 und
einem Lufttrenner 856 sowie einem Wasserstofftrenner 858,
zwischen die sandwichartig die MEA 854 eingefügt ist.
Die MEA 854 besteht aus einer Elektrolytmembran, einer
auf einer Oberfläche der
Elektrolytmembran ausgebildeten Luftelektrode (Sauerstoffelektrode)
und einer Wasserstoffelektrode (Brenngaselektrode), die auf der
anderen Oberfläche der
Elektrolytmembran ausgebildet ist.
-
Der
plattenförmige
Lufttrenner 856, der aus Kohlenstoffmaterial oder elektrisch
leitendem Metall hergestellt ist, besitzt Luftkanäle 850A zur
Verteilung von Sauerstoff auf die Luftelektroden, und, wie durch einen
Pfeil in einer ausgezogenen Linie in 84 dargestellt
ist, wird der Sauerstoff den entsprechenden Zelleneinheiten 850 mittels
der Luftkanäle 850A in
paralleler Richtung zugeführt.
Gleichermaßen
besitzt der aus Kohlenstoffmaterial oder elektrisch leitendem Metall
hergestellte, plattenförmige
Wasserstofftrenner 858 Wasserstoffkanäle zur Verteilung des Wasserstoffs
auf die Oberflächen
der Brenngaselektroden, und wie durch einen Pfeil in den unterbrochenen
Linien in 84 dargestellt, wird der Wasserstoff
mittels der Wasserstoffkanäle 850B in
paralleler Richtung den entsprechenden Zelleneinheiten 850 zugeführt.
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Wie
in den 83B und 85 dargestellt ist,
schließt
die Strommeßvorrichtung 860 einen
plattenförmigen
elektrischen Leiter 862 ein, der aus elektrisch leitendem
Metall besteht. Der elektrische Leiter 862 ist zwischen
zwei Zelleneinheiten 850, 850 eingefügt (siehe 83A) in einem Zustand, bei welchem der elektrische
Leiter 862 eine Endfläche
und eine andere Endfläche
aufweist, die beide in entgegengesetzter Richtung der Stapelrichtung
der Zelleneinheiten zugewandt sind, und die in elektrischem Kontakt
mit der jeweils zugeordneten Zelleneinheit 850, 850 gehalten
werden.
-
Insbesondere
besitzt der elektrische Leiter 862 einen rechtwinklig ausgenommenen
Abschnitt 864, der sich in einer rechtwinklig zu einer
Ebene des elektrischen Leiters 862 verlaufenden Richtung
erstreckt und der sich in einem vom Zentrum des elektrischen Leiters 862 entfernt
gelegenen Bereich nahe einer Ecke befindet und zwei Seiten nahe
einem äußeren Umfang
des elektrischen Leiters 862 aufweist.
-
In
dem rechtwinkligen, ausgenommenen Abschnitt 864 ist ein
säulenförmiger Abschnitt 866 angeordnet,
der als ein Stromleiter dient und in einer massiven rechteckigen
Form ausgebildet ist, die Endflächen
besitzt, die in elektrischem Kontakt mit den zugeordneten lokalen
Bereichen der Zelleneinheiten 850, 850 gehalten
werden müssen.
-
Auch
ist in dem rechtwinklig ausgenommenen Abschnitt 864 derart,
daß er
den säulenförmigen Abschnitt 866 umgibt,
ein Eisenkern 868 angeordnet, dessen beide einander zugewandte
Enden von einem Luftspalt 860 getrennt sind, der in einem
Bereich ausgebildet ist, der näher
am Umfangsrand 862a des elektrischen Leiters ausgebildet
ist, in dem ein Hall-Element angeordnet ist. Auf diese Weise bilden der
Eisenkern 868 und das Hall-Element 879 einen magnetischen
Sensor, der im Eckbereich des elektrischen Leiters 862 angeordnet
ist, um enger an dessen Umfangsrand angeordnet zu sein.
-
Bei
der oben behandelten Bauform wird um den säulenförmigen Abschnitt 866 ein
Magnetfeld mit einer Größe erzeugt,
die dem elektrischen Strom proportional ist, wenn lokalisierter
Strom, der aus dem lokalen Bereich der Zelleneinheit 850 entladen
wird, der der einen Endfläche
des säulenartigen
Abschnitts zugewandt ist, durch den säulenartigen Abschnitt fließt. Bei
der in 85 gezeigten Bauform fließt lokalisierter
Strom von einem hinteren Bereich bezogen auf Zeichnungsebene der 85 zu einem vorderen Bereich, und das Magnetfeld
wird im Gegenuhrzeigersinn erzeugt. Demgemäß wird es dadurch, daß die Größe des Magnetfeldes
des Eisenkerns 868 gemessen werden kann, möglich, den elektrischen
Strom zu ermitteln, der durch den säulenartigen Abschnitt 866 fließt, d.h.
den lokalisierten Strom der Zelleneinheit 850.
-
Als
nächstes
wird unter Bezug auf 86 der Einfluß auf den
magnetischen Sensor 876 beschrieben, der durch Störungen,
wie ein durch einen anderen Strom als den lokalisierten Strom erzeugtes Magnetfeld,
verursacht wird.
-
Die 86 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung
eines Magnetfelds, das in der Strommeßvorrichtung 860 erzeugt
wird. Wie in 86 gezeigt, leidet ein näher am Zentrum
des elektrischen Leiters 862 gelegener Bereich des Eisenkerns 868 an
dem Magnetfeld, das durch den elektrischen Strom erzeugt wird, der
durch einen größeren Bereich
des elektrischen Leiters mit Ausnahme des säulenartigen Abschnitts 866 fließt, das
eine Größe aufweist,
die größer ist
als jene des Magnetfelds, das durch den lokalisierten Strom erzeugt
wird, der durch den säulenartigen
Abschnitt 866 fließt.
Aus diesem Grund wird in dem Falle, daß der Versuch unternommen wird,
das Magnetfeld in einem Bereich zu messen, der näher am Zentrum des elektrischen
Leiters 868 liegt, eine Schwierigkeit auftreten, eine korrekte Messung
des exakten Stroms durchzuführen,
der durch den lokalen Strom erzeugt wird.
-
Im
Gegensatz dazu wird ein vom Zentrum des elektrischen Leiters 862 entfernt
gelegener Eckbereich des Eisenkerns 868 kaum eine schädliche Einwirkung
verursachen, die von dem Magnetfeld ausgeht, das durch einen anderen
elektrischen Strom als den lokalisierten Strom erzeugt wird, weil der
andere Bereich des Eisenkerns, der näher zum Zentrum des elektrischen
Leiters 862 liegt, das Magnetfeld abschirmt, das durch
den größeren elektrischen
Strom erzeugt wird, der durch den elektrischen Leiter 862 fließt.
-
Bei
der Bauform der Strommeßvorrichtung 860 der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform nimmt
der magnetische Sensor 870 eine Position ein, die vom Zentrum
des elektrischen Leiters 862 dadurch entfernt liegt, weil
der ausgenommene Abschnitt 864 im Eckbereich so angeordnet
ist, daß die beiden
Seiten des ausgenommenen Ab schnitts 864 enger am Umfangsrand 862a des
elektrischen Leiters liegen und durch Anordnung des Luftspalts 869 des
Eisenkerns 868 im ausgenommenen Abschnitt 864 in einer
Position, die enger am Umfangsrand 862a des elektrischen
Leiters 862 liegt. Dies hat die Fähigkeit zur Folge, daß schädliche Einwirkungen durch
magnetische Störungen,
die dadurch verursacht werden, daß der größere Strom durch den elektrischen
Leiter 862 fließt,
unterdrückt
werden, wodurch das durch den lokalisierten Strom erzeugte magnetische
Feld genau gemessen werden kann.
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(Sechsundzwanzigste Ausführungsform)
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Eine
Strommeßvorrichtung
einer sechsundzwanzigsten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Gebrauch in einer elektrischen Energieeinheit wird
unter Bezugnahme auf die 87A und 87B beschrieben.
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Die 87A ist eine Frontansicht der Strommeßvorrichtung
der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
und 87B ist eine Querschnittsansicht
nach der Linie A6-A6 in 87A.
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Die
Strommeßvorrichtung 860A Strommeßvorrichtung
der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
unterscheidet sich von der fünfundzwanzigsten
Ausführungsform
dadurch, daß bei
der fünfundzwanzigsten
Ausführungsform
eine besondere Anordnung der Komponenten der Strommeßvorrichtung 860 eine
Verringerung der Meßfehler
beim lokalisierten Strom ermöglicht
und bei der Strommeßvorrichtung
der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
die Strommeßvorrichtung
ein magnetisches Abschirmelement 880 einschließt, um schädliche Einwirkungen
zu minimieren, die durch magnetische Störungen verursacht werden, die
durch einen anderen Strom als den lokalisierten Strom verursacht
werden. Die gleichen Komponenten wie jene der fünfundzwanzigsten Ausführungsform
tragen die gleichen Bezugszahlen, um eine überflüssige Beschreibung zu vermeiden.
-
Wie
in den 87A und 87B gezeigt, besteht
die Strommeßvorrichtung 860A aus
einem elektrischen Hauptleiter 862A, der den Durchfluß des größeren elektrischen
Stroms zuläßt und einen
ausgeschnittenen Abschnitt 972 in einer Ecke des elektrischen
Hauptleiters 862A besitzt, und einen elektrischen Hilfsleiter 862B„ der in
dem ausgeschnittenen Abschnitt 872 in einer planparallelen
Zuordnung zum elektrischen Hauptleiter 862A angeordnet
ist,
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Der
ausgenommene Abschnitt 864 ist im elektrischen Hilfsleiter 862C angeordnet,
in dem ein Vorsprung 866 innerhalb des ausgenommenen Abschnitts 864 angeordnet
ist und sich von einer Bodenwandung des ausgeschnittenen Abschnitts 864 in
Richtung einer Frontfläche
des elektrischen Hilfsleiters 862B erstreckt. Die Strommeßvorrichtung 860A schließt weiter
den Eisenkern 868 ein, der in dem ausgenommenen Abschnitt 864 angeordnet
ist, und das Hall-Element 870, das im Luftspalt 869 des Eisenkerns 868 in
der enger am Umfangsrand des elektrischen Hilfsleiters 862B gelegenen
Position angeordnet ist.
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Das
magnetische Abschirmelement 880 hat einen L-förmigen Querschnitt
und ist zwischen dem elektrischen Hauptleiter 862A und
dem elektrischen Hilfsleiter 862B angeordnet, um diesen
fixiert am elektrischen Hauptleiter 862A zu befestigen.
Somit ist das magnetische Abschirmelement 880 in dem ausgeschnittenen
Abschnitt 872 angeordnet in enger Nachbarschaft zum Eisenkern 868 in
einer Position, die näher
am Zentrum des elektrischen Hauptleiters 862A liegt. Die
magnetische Abschirmelement 880 ist, beispielsweise, aus
rostfreiem Stahl gefertigt und besitzt eine magnetische Permeabilität.
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Bei
der Strommeßvorrichtung
der oben erörterten,
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform ermöglicht es
die Anordnung des magnetischen Abschirmelements 880, eine
schädliche
Einwirkung, die sich aus dem Magnetfeld ergibt, das durch den elektrischen
Hauptleiter 862A geschaffen wird, auszuschließen, um
eine Fähigkeit
zur Messung nur des Magnetfelds zu schaffen, das sich durch den
lokalisierten Strom ergibt, und dadurch die Genauigkeit der Messung
zu erhöhen.
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Während die
gegenwärtig
betrachtete Ausführungsform
in Verbindung mit der Bauform beschrieben wurde, bei der der magnetische
Sensor näher
am Umfangsrand des elektrischen Hilfsleiters 862B angeordnet
ist, ist durch eine solche Bauform keine Begrenzung beabsichtigt.
Das heißt,
der magnetische Sensor 870, kann nicht nur in dem entfernt vom
Zentrum des elektrischen Hauptleiters gelegenen Bereich, sondern
auch sonstwo im ausgenommenen Abschnitt 864 angeordnet
sein.
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(Siebenundzwanzigste Ausführungsform)
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Eine
Strommeßvorrichtung
einer siebenundzwanzigsten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Gebrauch in einer elektrischen Energieeinheit wird
unter Bezugnahme auf die 88,
die 89A und 89B und
die 90A und 90B beschrieben.
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Die
Strommeßvorrichtung
der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
beabsichtigt die Vorkehrung eines magnetischen Abschirmelements
zur Beseitigung schädlicher
Einwirkungen eines Magnetfelds, das durch den Strom verursacht wird,
der durch die andere elektrische Energieeinheit fließt.
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Zunächst wird
die schädliche
Einwirkung, die sich durch das Magnetfeld ergibt, das durch den
elektrischen Strom erzeugt wird, der durch die andere elektrische
Energieeinheit fließt,
unter Bezugnahme auf die 88, 89A und 89B beschrieben, und
die gleichen Komponenten wie jene bei der in 85 gezeigten
fünfundzwanzigsten
Ausführungsform
tragen die gleichen Bezugszahlen, um eine überflüssige Beschreibung zu vermeiden.
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Die 88 ist eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellensystems 900,
das Brennstoffzellen 902, 904 einschließt, die
in Serie verbunden sind, und die Brennstoffzelle 902 ist
mit der Strommeßvorrichtung 860B der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
versehen.
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Wie
in 88 gezeigt, hat das Brennstoffzellensystem 900,
das die mit der Strommeßvorrichtung 906 versehene
Brennstoffzelle 902 einbezieht, andere elektrische Energieeinheiten,
wie eine Brennstoffzelle 904, einen Wechselrichter 908 und
einen Elektromotor 910 in der Nähe der Brennstoffzelle 902,
die mit der Strommeßvorrichtung 860B versehen
ist.
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Die 89A und 89B sind
Entwurfsansichten, die darstellen, wie ein Magnetfeld auf die Strommeßvorrichtung 860B einwirkt.
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Wie
in den 89a und 89B gezeigt,
ist es schwierig, ein Magnetfeld genau zu messen, das das durch
einen lokalisierten Strom erzeugt wird, selbst wenn der magnetische
Sensor 870 verwendet wird, um das Magnetfeld des Eisenkerns 868 zu
messen, weil die Strommeßvorrichtung 860B unter
dem schädlichen
Einfluß der
von einem Magnetfeld herrührt,
das durch einen elektrischen Strom erzeugt wird, der durch die zweite
Brennstoffzelle 904 fließt, die der ersten Brennstoffzelle 902 benachbart
ist, Insbesondere wird der schädliche
Einfluß groß in einem Bereich
des Eisenkerns 868, der entfernt ist vom Zentrum des elektrischen
Leiters 862. Auch besteht bei durch elektrische Energieeinheiten,
wie den Elektromotor 910, verursachtem magnetischen Rauschen
die Wahrscheinlichkeit einer schädlichen
Einwirkung auf die Messung eines durch den magnetischen Sensor 870 zu
ermittelnden Magnetfelds.
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(Achtundzwanzigste Ausführungsform)
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Die 90A ist eine Frontansicht einer Strommeßvorrichtung
einer achtundzwanzigsten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung und 90B ist eine Querschnittsansicht
nach der Linie A7-A7 in 90A.
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Wie
in den 90A und 90B gezeigt, hat
die Strommeßvorrichtung 860B der
gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
die gleiche Bauform wie die in 85 gezeigte
und schließt
weiter ein L-förmiges
magnetisches Abschirmelement 912 ein, das in einer Ecke
des elektrisch leitenden Körpers 862 in
einer Position angeordnet ist, die näher am äußeren Umfang des Eisenkerns 868 in
einer Position entfernt vom Zentrum des elektrischen Leiters 862 liegt.
Bei einer solchen Bauform schirmt das magnetische Abschirmelement 912 die
magnetischen Felder ab, die von den elektrischen Energieeinheiten 904, 908 und 910 stammen,
mit Ausnahme der Brennstoffzelle 902, deren lokalisierter
Strom gemessen werden soll, so daß die Strommeßvorrichtung 860B befähigt wird,
den lokalisierten Strom mit einer hoch verbesserten Genauigkeit
zu messen, Weiter befähigt
es bei der Strommeßvorrichtung 860B der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform,
wie bei der in den 83A, 83B und 85,
der Gebrauch des im ausgenommenen Abschnitt in dem vom Zentrum des
elektrischen Leiters 862 entfernten Bereich angeordneten
magnetischen Sensors 870, den schädlichen Einfluß zu minimieren,
der vom größeren Strom
ausgeht, der durch den elektrischen Leiter 862 innerhalb
der Strommeßvorrichtung 860B fließt. Dies
befähigt
die Strommeßvorrichtung 860B zu
einer genaueren Messung des sich durch den lokalisierten Strom ergebenden
Magnetfelds.
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(Abgewandelte Form des
achtundzwanzigsten Ausführungsbeispiels)
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Eine
Strommeßvorrichtung
einer abgewandelten Form der achtundzwanzigsten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird unter Bezugnahme auf dir 91A und 91B beschrieben, und die gleichen Komponenten
wie jene der dreizehnten Ausführungsform
tragen die gleichen Bezugszahlen, um eine überflüssige Beschreibung zu vermeiden.
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Die 91A ist eine Draufsicht auf eine Strommeßvorrichtung
nach der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
und 91B ist eine Querschnittsansicht
nach der Linie A8-A8 in 91A.
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Wie
in den 91A und 91B gezeigt, besteht
die Strommeßvorrichtung 860C aus
einem elektrischen Hauptleiter 862A, der den Durchfluß eines
größeren Stroms
gestattet und einen ausgeschnittenen Abschnitt 914 in einer
Ecke des elektrischen Hauptleiters 862A aufweist und einen
elektrischen Hilfsleiter 862B, der den Durchfluß eines
lokalisierten Stroms zuläßt und im
ausgeschnittenen Abschnitt 914 in einer planparallelen
Beziehung zum elektrischen Hauptleiter 862A angeordnet
ist.
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Der
ausgeschnittene Abschnitt 864 ist im elektrischen Hilfsleiter 862B ausgebildet,
dessen säulenartiger
Abschnitt 866 sich von einem Boden des ausgenommenen Abschnitts 864 in
Richtung einer Frontfläche
des elektrischen Hilfsleiters 862B erstreckt. Die Strommeßvorrichtung 860C schließt weiter
einen Eisenkern 868 ein, der im ausgenommenen Abschnitt 864 angeordnet
ist, und ein Hall-Element 870, das im Luftspalt 869 des
Eisenkerns 868 in der enger beim Umfangsrand des elektrischen
Hilfsleiters gelegenen Position angeordnet ist.
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Ein
magnetisches Abschirmelement 916 besitzt eine rechtwinklige
Gestalt, um sich damit dem elektrischen Hilfsleiter 862B anzupassen,
der mit dem ausgenommenen Abschnitt 864 ausgebildet ist, in
dem der säulenartige
Abschnitt 866 ausgebildet ist und vom Eisenkern 868 umgeben
wird und im ausgeschnittenen Abschnitt 914 angeordnet und
fixiert an zwei Seiten des elektrischen Hauptleiters 862A befestigt
ist. Das magnetische Abschirmelement 916 ist beispielsweise
aus rostfreiem Stahl gefertigt, der eine magnetische Permeabilität aufweist.
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Bei
einer solchen Bauform sind nicht nur die zwei Seiten des magnetischen
Abschirmelements 916 in einer Position näher am Zentrum
des elektrischen Hauptleiters 862A angeordnet, sondern
auch die anderen zwei Seiten des magnetischen Abschirmelements 916 sind
in einer vom Zentrum des elektrischen Hauptleiters 862A entfernten
Position angeordnet, die Strommeßvorrichtung der gegenwärtig betrachteten
Ausführungsform
hat den gleichen Vorteil wie jene der zwölften Ausführungsform. Das heißt, durch
den Gebrauch des magnetischen Abschirmelements 916 wird
nicht nur das magnetische Feld, das von der auf der Außenseite
gelegenen elektrischen Energieeinheit erzeugt wird, abgeschirmt,
sondern auch das Magnetfeld, das durch einen anderen elektrischen
Strom als den lokalisierten Strom erzeugt wird, d.h. der größere Strom
fließt durch
den elektrischen Hauptleiter 862A, um magnetisch abgeschirmt
zu werden. Auch bei der Bauform nach den 91A und 91B kann der magnetische Sensor 870 irgendwo
im ausgenommenen Abschnitt 864 angeordnet sein.
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(Neunundzwanzigste Ausführungsform)
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Eine
Strommeßvorrichtung
einer neunundzwanzigsten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 92A und 92B beschrieben,
und die gleichen Komponenten wie jene der elften Ausführungsform
tragen gleiche Bezugszahlen, um eine überflüssige Beschreibung zu vermeiden.
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Die 92A ist eine Frontansicht der Strommeßvorrichtung 860D der
gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform,
und 92B ist eine Querschnittsansicht
nach der Linie A9-A9 in 92A.
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Beim
Messen der Präzision
des magnetischen Sensors 870 findet eine Verschlechterung
statt aufgrund von Faktoren, wie einer Verschlechterung, die sich
durch Zeitablauf bei der Charakteristik des magnetischen Sensors 870 ergibt.
Faktoren unter denen die Charakteristik des magnetischen Sensors 870 vom
Zeitablauf leidet, schließen
Berieb und Belastung unter hohen Umgebungstemperaturen und mechanische
Belastungen unter Last ein. In Fällen, in
denen der magnetische Sensor 870 in das Innere eines elektrisch
leitenden Körpers 920 eingeschlossen
ist, ist der magnetische Sensor einer Umgebung mit hoher Temperatur
bei hohen Frequenzen ausgesetzt. Auch bei der Anordnung der Meßvorrichtung 860D in
der Brennstoffzelle 800, um einen Teil des Stapels zu bilden,
wird die Strommeßvorrichtung 860D von
beiden Seiten unter Druck gesetzt um eine Last zu tragen. Wenn der
magnetische Sensor 870 Phasen der Ausdehnung und der Zusammenziehung bei
hohen Frequenzen ausgesetzt wird, als Ergebnis des Auftretens von
Wärme in
sich wiederholenden Zyklen, ist der magnetische Sensor 870 periodisch Lastveränderungen
ausgesetzt, die der Anlaß sind, daß der magnetische
Sensor 870 unter erhöhtem mechanischem
Streß leidet.
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Um
ein solches Problem zu überwinden,
besitzt der elektrische Leiter 920, wie in den 92A und 92B dargestellt,
einen U-förmig
ausgeschnittenen Abschnitt 920a, der als ausgenommener Abschnitt
dient, dessen offenes Ende einer seitlichen Oberfläche 920b des
elektrischen Leiters 920 zugewandt ist. Ein Eisenkern 922 ist
in dem ausgeschnittenen Abschnitt 920a des elektrischen
Leiters 920 untergebracht, und besitzt L-förmige äußere Verlängerungen 922a, 922a,
deren einander gegenüberliegende
Enden voneinander durch einen Luftspalt 924 getrennt sind,
in dem der magnetische Sensor 870 außerhalb des elektrischen Leiters 920 angeordnet ist.
Somit wird es durch die Anordnung des magnetischen Sensors außerhalb
des elektrischen Leiters 920 für den magnetischen Sensor 870 möglich, nicht unter
mechanischem Streß zu
leiden, was zu einer Erhöhung
der Meßgenauigkeit
des magnetischen Sensors 870 führt.
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Bei
der Strommeßvorrichtung
der gegenwärtig
betrachteten Ausführungsform
nimmt der magnetische Sensor 870 wie bei der elften Ausführungsform eine
vom Zentrum des elektrischen Leiters 920 entfernte Position
ein, was ihn befähigt,
schädliche
Einwirkungen zu minimieren, die von dem Magnetfeld herrühren, das
durch einen anderen als den lokalisierten Strom erzeugt wird, so
daß das
durch den lokalisierten Strom erzeugte Magnetfeld genau gemessen
werden kann. Zusätzlich
kann mit der Bauform nach der gegenwärtig betrachteten Ausführungsform,
wenn das magnetische Abschirmelement um den Eisenkern 922 angeordnet
ist, eine schädliche Einwirkung,
die von einem anderen elektrischen Strom als dem lokalisierten Strom
herrührt,
wie bei der zwölften
und dreizehnten Ausführungsform
abgeschirmt werden, wodurch nur das vom lokalisierten Strom herrührende Magnetfeld
gemessen wird, mit der resultierenden Verbesserung der Meßgenauigkeit.
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Während die
Strommeßvorrichtungen
der verschiedenen oben erwähnten
Ausführungsformen unter
Bezugnahme auf beispielhafte Bauformen beschrieben wurden, bei welchen
die Strommeßvorrichtungen
den elektrischen Leiter einschließt in Fällen, in denen die Strommeßvorrichtung
benutzt wird, um den lokalisierten Strom der Brennstoffzelle zu messen,
kann die Strommeßvorrichtung
auch in die Trenner 8656, 858 (siehe 84) einbezogen sein. Das heißt, wenigstens einer der Trenner 856, 858 kann
aus elektrisch leitendem Material bestehen, mit einem ausgenommenen
Abschnitt, der mit einem säulenartigen
Abschnitt ausgebildet ist, der von einem mit einem Luftspalt ausgebildeten
Eisenkern umgeben ist, in dem der magnetische Sensor angeordnet
ist. Das Messen der Größe eines
Magnetfeldes des Eisenkerns gibt die Möglichkeit, elektrischen Strom,
d.h. lokalisierten Strom der Zelleneinheit, der durch den säulenartigen
Abschnitt fließt,
in höchst zuverlässiger Weise
zu ermitteln. Bei dieser Alternative besteht keine Notwendigkeit,
einen plattenartigen elektrischen Leiter neu vorzusehen, weil die Trenner 856. 858 benutzt
werden
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Während spezifische
Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, ist es für den Fachmann
klar, daß verschiedene
Modifikationen und Alternativen zu diesen Details im Lichte der
allgemeinen Lehren dieser Offenbarung entwickelt werden können. Demgemäß sind die
offenbarten einzelnen Anordnungen lediglich als Erläuterung
zu verstehen und nicht als einschränkend für den Schutzbereich der vorliegenden
Erfindung, der durch die volle Breite der folgenden Ansprüche und
aller ihrer Äquivalente
gegeben ist,