DE102017107012A1

DE102017107012A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Wasserstoffmangels und Vorrichtung zum Bestimmen eines Wasserstoffmangels

Info

Publication number: DE102017107012A1
Application number: DE102017107012.5A
Authority: DE
Inventors: Takahiko Hasegawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2017-10-12
Also published as: CN107452974B; US20170294667A1; US10218019B2; JP2017188358A; JP6504466B2; CN107452974A

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen eines Wasserstoffmangels einer Brennstoffzelle (20) mit einer Mehrzahl von Zellengruppen umfasst: einen Referenzwertspeicherschritt (S1) zum Speichern eines Impedanzwerts in einem Zustand, bei dem Wasserstoffabgas aus der Brennstoffzelle (20) ausgetragen wird und Wasserstoffgas sowie Oxidationsgas zugeführt werden, als Referenzwert (α); einen Messwertberechnungsschritt (S2) zum Berechnen eines Messwerts (β) der Impedanz basierend auf einer Spannung der Zellengruppen und einem Strom der Brennstoffzelle (20); einen Korrektwertberechnungsschritt (S3) zum Berechnen eines berichtigten Wertes (γ) der Impedanz durch Berichtigen des Messwerts (β) basierend auf dem Referenzwert (α); und einen Bestimmungsschritt (S5) zum Bestimmen, dass ein Wasserstoffmangel vorliegt, wenn der berichtigte Wert (γ) einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Wasserstoffmangels sowie eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Wasserstoffmangels.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Eine Brennstoffzelle, die mit Reaktionsgasen (Brenngas und Oxidationsgas) versorgt wird, um elektrische Leistung bzw. Strom zu erzeugen, wird in der Praxis verwendet. Die Brennstoffzelle ist ein Stromerzeugungssystem bzw. ein System zur Erzeugung elektrischer Leistung, das Brennstoff in einem elektrochemischen Prozess oxidiert, um die bei der Oxidationsreaktion freigesetzte Energie direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Die Brennstoffzelle hat eine Membran-Elektroden-Anordnung, bei der eine Polymerelektrolytmembran zum selektiven Transport von Wasserstoffionen sandwichartig auf beiden Seiten zwischen einem Paar Elektroden (Anodenelektrode und Kathodenelektrode) aufgenommen ist, die aus einem porösen Material bestehen, wobei eine jede Elektrode eine Katalysatorschicht umfasst, die die elektrochemische Reaktion unterstützt.
Wenn in einer derartigen Brennstoffzelle während der Erzeugung elektrischer Leistung bzw. der Stromerzeugung Wasserstoff in der Anodenelektrode fehlt, verschlechtert sich der Katalysator. Aus diesem Grund wird eine Möglichkeit (ein Verfahren) zum Bestimmen des Vorliegens oder Fehlens eines Wasserstoffmangels in der Brennstoffzelle benötigt. Hierzu wurde in den letzten Jahren ein Wasserstoffkonzentrationsschätzverfahren vorgeschlagen, das eine Wasserstoffkonzentration als relativ niedrig bestimmt, wenn ein gemessener Impedanzbogen bzw. Impedanzhalbkreis (EN: impedance semicircle) relativ groß ist, indem eine Korrelationsbeziehung zwischen dem Impedanzhalbkreis der Brennstoffzelle und der Wasserstoffkonzentration in der Brennstoffzelle genutzt wird (siehe z. B. die PCT-Anmeldung WO 2010/128555 A ).
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Wenn aber ein negatives Potential aufgrund eines Wasserstoffmangels in der Brennstoffzelle erzeugt wird, ist bekannt, dass die Größe der Änderung der niederfrequenten Impedanz größer ist, als die Größe der Änderung der Zellenspannung (eine Spannung einer Mehrzahl von Zellengruppen, welche die Brennstoffzelle bilden), und ein Verfahren, welches das Vorliegen oder Fehlen eines Wasserstoffmangels unter Verwendung dieser Beziehung überwacht, wurde untersucht. Wenn ein derartiges Verfahren genutzt wird, ist es möglich, die Anzahl der gleichzeitig zu überwachenden Zellen zu erhöhen; jedoch nimmt der Einfluss eines Messfehlers (eines von einer Einzelperson abhängigen Abweichungsfehlers) aufgrund der Zunahme des Messbereichs zu, und es besteht das Problem, dass die Messgenauigkeit abnimmt.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Bestimmen eines Wasserstoffmangels, bei dem die Anzahl der gleichzeitig zu überwachenden Zellen erhöht werden kann, ohne dass eine Abnahme der Messgenauigkeit verursacht wird.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Wasserstoffmangels einer Brennstoffzelle mit einer Mehrzahl von Zellengruppen. Das Verfahren umfasst: Speichern eines Impedanzwerts in einem Zustand, bei dem Wasserstoffabgas aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird und Wasserstoffgas sowie Oxidationsgas zugeführt werden, als Referenzwert; Berechnen eines Messwerts der Impedanz basierend auf einer Spannung der Zellengruppen und einem Strom der Brennstoffzelle; Berechnen eines berichtigten Wertes der Impedanz durch Berichtigen des Messwerts basierend auf dem Referenzwert; und Bestimmen, dass ein Wasserstoffmangel vorliegt, wenn der berichtigte Wert einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Wasserstoffmangels einer Brennstoffzelle mit einer Mehrzahl von Zellengruppen. Die Vorrichtung zum Bestimmen eines Wasserstoffmangels umfasst: eine Referenzwertspeichereinheit, die ausgestaltet ist, um einen Impedanzwert in einem Zustand, bei dem Wasserstoffabgas aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird und Wasserstoffgas sowie Oxidationsgas zugeführt werden, als Referenzwert zu speichern; eine Messwertberechnungseinheit, die ausgestaltet ist, um einen Messwert der Impedanz basierend auf einer Spannung der Zellengruppen und einem Strom der Brennstoffzelle zu berechnen; eine Korrektwertberechnungseinheit, die ausgestaltet ist, um einen berichtigten Wert der Impedanz durch Berichtigen des Messwerts basierend auf dem Referenzwert zu berechnen; und eine Bestimmungseinheit, die ausgestaltet ist, um zu bestimmen, dass ein Wasserstoffmangel vorliegt, wenn der berichtigte Wert einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.
Gemäß dem ersten und zweiten Aspekt ist es möglich, die Abnahme der Messgenauigkeit aufgrund eines Messfehlers (eines von einer Einzelperson abhängigen Abweichungsfehlers) aufgrund einer Zunahme des Messbereichs zu vermeiden. Es ist demnach möglich, das Vorliegen oder Fehlen des Wasserstoffmangels unter Verwendung der Impedanz zu bestimmen, und es ist möglich, die Anzahl der gleichzeitig zu überwachenden Zellen zu erhöhen. Genauer gesagt ist es möglich, zu bestimmen, ob ein Wasserstoffmangel auftritt oder nicht, indem als Referenzwert der Impedanzwert in einem Zustand gespeichert wird, bei dem kein Wasserstoffmangel auftritt (einem Zustand, bei dem Wasserstoffabgas aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird und Wasserstoffgas sowie Oxidationsgas zugeführt werden), und der berichtigte Wert, der durch Korrigieren bzw. Berichtigen des Messwerts der Impedanz unter Verwendung des Referenzwerts erhalten wird, mit dem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird. Aus diesem Grund ist es möglich, einen Messfehler (einen von einer Einzelperson abhängigen Abweichungsfehler) aufgrund einer Zunahme des Messbereichs zu verringern. Daher ist es möglich, die Anzahl der gleichzeitig zu überwachenden Zellen zu erhöhen, ohne dass eine Abnahme der Messgenauigkeit verursacht wird.
Bei dem ersten Aspekt der Erfindung kann der berichtigte Wert berechnet werden, indem ein Wert, der durch Subtrahieren des Referenzwerts von einem Nominalwert der Impedanz erhalten wird, zum Messwert addiert wird.
Bei dem zweiten Aspekt der Erfindung kann die Korrektwertberechnungseinheit ausgestaltet sein, um den berichtigten Wert zu berechnen, indem ein Wert, der durch Subtrahieren des Referenzwerts von einem Nominalwert der Impedanz erhalten wird, zum Messwert addiert wird.
Mit der Erfindung ist es möglich, ein Verfahren zum Bestimmen eines Wasserstoffmangels anzugeben, bei dem die Anzahl der gleichzeitig zu überwachenden Zellen erhöht werden kann, ohne dass eine Abnahme der Messgenauigkeit verursacht wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:
1 eine erläuternde Ansicht, die den Grundriss eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ein Blockschaubild, das den funktionalen Aufbau eines Controllers des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
3 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Bestimmen eines Wasserstoffmangels bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung Bezug nehmend auf die Zeichnung beschrieben. Die Positionsbeziehungen wie oben, unten, rechts und links der Zeichnungen basieren, sofern nicht anders angegeben, auf den in den Zeichnungen dargestellten Positionsbeziehungen. Die Größenverhältnisse der Zeichnungen sind nicht auf die in den Zeichnungen gezeigten Verhältnisse beschränkt. Darüber hinaus ist die nachfolgend beschriebene Ausführungsform ein Beispiel zum Erläutern der Erfindung, und es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung auf diese Ausführungsform zu beschränken. Vielmehr können verschiedene Abwandlungen durchgeführt werden, so lange die Abwandlungen nicht von der Idee und dem Umfang der Erfindung abweichen.
Zunächst der Aufbau eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß dieser Ausführungsform bezugnehmend auf 1 beschrieben. Das Brennstoffzellensystem 10 dient beispielsweise als Fahrzeugstromversorgungssystem, das an einem Brennstoffzellenfahrzeug als bewegliches Objekt montiert ist, und umfasst eine Brennstoffzelle 20, die mit Reaktionsgasen (Brenngas und Oxidationsgas) versorgt wird, um elektrische Leistung bzw. Strom zu erzeugen, ein Oxidationsgaszufuhrsystem 30, welches der Brennstoffzelle 20 das Oxidationsgas in Form von Luft zuführt, ein Brenngasversorgungssystem 40, welches der Brennstoffzelle 20 Wasserstoffgas als Brenngas zuführt, ein elektrisches Leistungssystem 50, welches das Laden und Entladen elektrischer Leistung steuert, sowie einen Controller 60, der integral das gesamte System steuert.
Die Brennstoffzelle 20 ist ein Festpolymerelektrolytzellenstapel, in dem mehrere Zellen in Reihe gestapelt sind. In der Brennstoffzelle 20 tritt eine Oxidationsreaktion, die durch die Formel (1) dargestellt ist, an einer Anodenelektrode auf, und eine Reduktionsreaktion, die durch die Formel (2) dargestellt ist, tritt an einer Kathodenelektrode auf. Eine elektromotorische Reaktion, die durch die Formel (3) dargestellt ist, tritt insgesamt in der Brennstoffzelle 20 auf. H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) (½)O₂ + 2H⁺ + 2e^– + H₂O (2) H₂ + (½)O₂ → H₂O (3)
Eine jede Zelle, die die Brennstoffzelle 20 bildet, hat eine Polymerelektrolytmembran, eine Anodenelektrode, eine Kathodenelektrode sowie Separatoren. Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode bilden eine Sandwichstruktur, mittels welcher die Po1ymerelektrolytmembran sandwichartig von beiden Seiten umfasst ist. Die Separatoren sind aus gasundurchlässigen leitfähigen Elementen gebildet und bilden jeweils Strömungspfade für Brenngas und Oxidationsgas zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode, während sie die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode sandwichartig von beiden Seiten umschließen.
Jede der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode hat eine Katalysatorschicht sowie eine Gasdiffusionsschicht. Die Katalysatorschicht hat einen katalysatorgeträgerten Kohlenstoff, der beispielsweise mit platinbasierten Edelmetallpartikeln, die darauf gelagert sind, als Katalysator fungiert, sowie ein Polymerelektrolyt. Als Material des Platinsystems der Edelmetallpartikeln können beispielsweise Metallkatalysatoren (Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ru und dergleichen) verwendet werden. Als katalysatorgeträgerter Kohlenstoff kann beispielsweise Ruß verwendet werden. Als Polymerelektrolyt kann ein protonenleitfähiges Ionenaustauschharz oder dergleichen verwendet werden. Die Gasdiffusionsschicht wird auf der Fläche der Katalysatorschicht ausgebildet, um luftdurchlässig sowie elektrisch leitend zu sein, und besteht aus Kohlenstoffgewebe, Kohlenstoffpapier oder Kohlenstofffilz, der aus Kohlefaserfäden gebildet ist.
Die Polymerelektrolytmembran ist eine protonenleitfähige Ionenaustauschmembran bestehend aus einem Festpolymermaterial, beispielsweise einem Fluor basiertem Harz und zeigt eine zufriedenstellende elektrische Leitfähigkeit in einem nassen Zustand. Die Polymerelektrolytmembran, die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode bilden eine Membranelektrodenanordnung.
Wie in 1 gezeigt ist, sind ein Spannungssensor 71, der eine Spannung einer Mehrzahl der Zellengruppen erfasst, welche die Brennstoffzelle 20 bilden, sowie ein Stromsensor 72, der einen Strom der Brennstoffzelle 20 erfasst, an der Brennstoffzelle 20 angebracht. Die Spannung und der Strom, welche durch den Spannungssensor 71 und den Stromsensor 72 erfasst werden, werden für die Berechnung der Impedanz wie nachfolgend beschrieben verwendet.
Das Oxidationsgaszufuhrsystem 30 hat eine Oxidationsgasströmungsleitung 33, in der das der Kathodenelektrode der Brennstoffzelle 20 zugeführte Oxidationsgas strömt, sowie eine Oxidationsabgasströmungsleitung 34, in welcher das von der Brennstoffzelle 20 ausgetragene Oxidationsabgas strömt. Die Oxidationsgasströmungsleitung 33 ist mit einem Luftverdichter bzw. Kompressor 32 ausgestaltet, der Oxidationsgas von der Umgebung durch einen Filter 31 anzieht, und einem Sperrventil A1, das die Zufuhr von Oxidationsgas zur Brennstoffzelle 20 unterbricht. Die Oxidationsabgasströmungsleitung 34 ist mit einem Sperrventil A2 ausgebildet, das die Austragung von Oxidationsabgas aus der Brennstoffzelle 20 unterbricht, sowie einem Gegendruckregelventil A3, das einen Oxidationsgaszufuhrdruck regelt.
Das Brenngaszufuhrsystem 40 hat eine Brenngaszufuhrquelle 41, eine Brenngasströmungsleitung 43, in der das der Anodenelektrode der Brennstoffzelle 20 von der Brenngaszufuhrquelle 41 zugeführte Brenngas strömt, eine Zirkulationsströmungsleitung 44, die von der Brennstoffzelle 20 ausgetragenes Brenngasabgas zur Brenngasströmungsleitung 43 zirkuliert, eine Zirkulations- bzw. Umwälzpumpe 45, die Brenngasabgas in der Zirkulationsströmungsleitung 44 zur Brenngasströmungsleitung 43 pumpt, sowie eine Abgas-/Abwasserströmungsleitung 46, die von der Zirkulationsströmungsleitung 44 abzweigt.
Die Brenngaszufuhrquelle 41 besteht beispielsweise aus einem Hochdruckwasserstofftank, einer wasserstoffabsorbierenden Legierung oder dergleichen und speichert Wasserstoffgas bei hohem Druck (beispielsweise 35 MPa bis 70 MPa). Wenn ein Sperrventil H1 geöffnet wird, fließt Brenngas von der Brenngaszufuhrquelle 41 zur Brenngasströmungsleitung 43. Der Druck des Brenngases wird durch einen Regler H2 oder einen Injektor 42 auf einen Druck von beispielsweise etwa 200 kPa verringert und der Brennstoffzelle 20 zugeführt.
Die Abgas-/Abwasserströmungsleitung 46 zweigt von der Zirkulationsströmungsleitung 44 ab und die Abgas-/Abwasserströmungsleitung 46 hat ein Abgas-/Abwasserventil H3. Das Abgas-/Abwasserventil H3 wird entsprechend einem Befehl vom Controller 60 betätigt, um Brenngasabgas und Feuchtigkeit, die Verunreinigungen enthalten, aus der Zirkulationsströmungsleitung 44 nach außen auszutragen.
Durch das Abgas-/Abwasserventil H3 ausgetragenes Brenngasabgas wird mit Oxidationsgasabgas vermischt, das in der Oxidationsgasabgasströmungsleitung 34 strömt, und durch einen Verdünner (nicht dargestellt) verdünnt. Die Zirkulationspumpe 45 zirkuliert das Brenngasabgas in einem Zirkulationssystem und führt dieses der Brennstoffzelle 20 durch einen Motorantrieb zu.
Das elektrische Leistungssystem 50 hat einen Gleichstromwandler 51, eine Batterie 52, einen Antriebswechselrichter 53, einen Antriebsmotor 54 sowie Zusatzaggregate 55. Der Gleichstromwandler 51 dient zum Verstärken einer Gleichspannung, die von der Batterie 52 zugeführt wird, und Ausgeben von der resultierenden Gleichspannung an den Antriebswechselrichter 53, und dient zum Absenken einer durch die Brennstoffzelle 20 erzeugten elektrischen Leistung oder einer regenerativen elektrischen Leistung, die durch den Antriebsmotor 54 während des regenerativen Bremens (Rekuperation) gesammelt wird, und Laden der Batterie 52 mit der resultierenden elektrischen Leistung.
Die Batterie 52 dient als Speicherquelle für überschüssige elektrische Leistung, als Speicherquelle für regenerative Energie zum Zeitpunkt des regenerativen Bremsens, sowie als Energiepuffer zum Zeitpunkt einer Lastschwankung bei der Beschleunigung und Verzögerung des Brennstoffzellenfahrzeugs oder dergleichen. Als Batterie 52 kann beispielsweise eine Sekundärbatterie bzw. ein Akku wie eine Nickelkadmiumspeicherbatterie, eine Nickelwasserstoffspeicherbatterie oder eine Lithiumsekundärbatterie verwendet werden.
Der Traktionswechselrichter 53 ist ein Pulsweitenmodulationswechselrichter bzw. PWM-Wechselrichter, der beispielsweise mittels eines Pulsweitenmodulationssystems angetrieben wird, und wandelt eine von der Brennstoffzelle 20 oder der Batterie 52 ausgegebene Gleichspannung entsprechend einer Steueranweisung vom Controller 60 in eine Dreiphasenwechselspannung um, wodurch das Rotationsmoment des Antriebsmotors 54 gesteuert wird. Der Antriebsmotor 54 ist beispielsweise ein Dreiphasenwechselstrommotor und bildet eine Antriebsquelle des Brennstoffzellenfahrzeugs.
Die Zusatzaggregate 55 sind ein Sammelbegriff für die jeweiligen Motoren, die in den jeweiligen Einheiten des Brennstoffzellensystems 10 vorgesehen sind, Wechselrichter zum Antreiben dieser Motoren und verschiedene andere fahrzeugbasierte Zusatzaggregate (beispielsweise den Luftkompressor 32, den Injektor 42, die Zirkulationspumpe 45, einem Radiator, einer Kühlwasserzirkulationspumpe und dergleichen).
Der Controller 60 ist ein Computersystem mit einer CPU, einem ROM, einem RAM sowie einer Eingabe-/Ausgabeschnittstelle (I-/O-Interface) und steuert die jeweiligen Einheiten des Brennstoffzellensystems 10. Wenn beispielsweise in Startsignal IG, das von einem Zündschalter ausgegeben wird, empfangen wird, startet der Controller 60 den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 und berechnet die benötigte elektrische Leistung des gesamten Systems basierend auf einem Gaspedalwinkelsignal ACC, das von einem Beschleunigersensor ausgegeben wird, einem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal VC, das von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgegeben wird, oder dergleichen. Die vom gesamten System benötigte elektrische Leistung ist ein Gesamtwert der elektrischen Leistung für das Fahren des Fahrzeugs und der elektrischen Leistung der Zusatzaggregate.
Die elektrische Leistung für die Zusatzaggregate umfasst die elektrische Leistung, die von den fahrzeuggestützten Zusatzaggregaten (dem Luftkompressor 32, der Zirkulationspumpe 45, der Kühlwasserpumpe, und dergleichen) verbraucht wird, die elektrische Leistung, die von Vorrichtungen (einem Getriebe, einer Radsteuervorrichtung, einer Lenkvorrichtung, einer Aufhängungsvorrichtung und dergleichen) verbraucht wird, die elektrische Leistung, die von Vorrichtungen (Klimaanlage, Beleuchtung, Audioequipment und dergleichen) verbraucht wird, in einem Fahrgastraum angeordnet sind, und dergleichen.
Der Controller 60 bestimmt die Verteilung der ausgegebenen elektrischen Leistung der Brennstoffzelle 20 und der Batterie 52, steuert das Oxidationsgaszufuhrsystem 30 und das Brenngaszufuhrsystem 40 derart, dass die von der Brennstoffzelle 20 erzeugte elektrische Leistung mit einer elektrischen Sollleistung übereinstimmt, und steuert den Gleichstromwandler 51, um die von der Brennstoffzelle 20 ausgegebene Spannung zu regeln, wodurch der Betriebspunkt (Ausgangsspannung und Ausgangsstrom) der Brennstoffzelle 20 gesteuert wird.
Zum Zeitpunkt des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 werden in der Brennstoffzelle 20, wie durch die vorstehend beschriebene Formel (1) dargestellt, an der Anodenelektrode erzeugte Wasserstoffionen durch die Elektrolytmembran transportiert und zur Kathodenelektrode bewegt, und die zur Kathodenelektrode gewanderten Wasserstoffionen werden in eine elektrochemische Reaktion mit Sauerstoff im Oxidationsgas, das der Kathodenelektrode wie durch Formel (2) vorstehend beschrieben zugeführt wird, eingebunden und verursachen eine Reduktionsreaktion von Sauerstoff, um Wasser zu erzeugen.
Der Controller 60 funktioniert derart, dass er einen Wasserstoffmangel der Brennstoffzelle 20 erkennt. Das bedeutet, der Controller 60 kann als Vorrichtung zum Bestimmen des Wasserstoffmangels gemäß der vorliegenden Erfindung erachtet werden. 2 ist ein Blockschaubild, das die Konfiguration des Controllers 60 zeigt, der als Vorrichtung zum Bestimmen des Wasserstoffmangels fungiert.
Der Controller 60 hat eine Referenzwertspeichereinheit 61, der als Referenzwert α einen Impedanzwert in einem Zustand speichert, bei welchem Wasserstoffabgas von der Brennstoffzelle 20 ausgetragen wird, und Wasserstoff sowie Oxidationsgas zugeführt werden (ein Referenzzustand, bei dem kein Wasserstoffmangel auftritt: ein Zustand, bei welchem das Spülen von Wasserstoffabgas abgeschlossen ist und Wasserstoff sowie Sauerstoff in einer Menge zugeführt werden, die zum Erzeugen der benötigten elektrischen Leistung notwendig ist). Der Controller 60 steuert die jeweiligen Ventile, die im Brenngaszufuhrsystem 40 angeordnet sind, um den Referenzzustand zu erzeugen, bei welchem kein Wasserstoffmangel auftritt. Das bedeutet: Der Controller 60 steuert das Abgas-/Abwasserventil H3, um Wasserstoffabgas oder Feuchtigkeit durch die Abgas-/Abwasserströmungsleitung 46 und die Zirkulationsströmungsleitung 44 aus der Brennstoffzelle 20 auszutragen, steuert das Sperrventil H1, den Regler H2 und den Injektor 42, um der Brennstoffzelle 20 durch die Brenngasströmungsleitung 43 Wasserstoffgas zuzuführen, und steuert den Luftkompressor 32, um der Brennstoffzelle 20 durch die Oxidationsgasströmungsleitung 33 Oxidationsgas zuzuführen. Dann berechnet der Controller 60 die Impedanz der Brennstoffzelle 20 basierend auf der Spannung und dem Strom, die durch den Spannungssensor 71 und den Stromsensor 72 im Referenzzustand erfasst werden, und speichert den berechneten Wert als Referenzwert α. Als Referenzwertspeichereinheit 61 kann ein EEPROM und dergleichen verwendet werden.
Der Controller 60 hat eine Messwertberechnungseinheit 62, die einen Messwert β der Impedanz basierend auf einer Spannung einer Mehrzahl von Zellengruppen, welche die Brennstoffzelle 20 bilden, und einem Strom der Brennstoffzelle 20 im Normalbetrieb (einem Zustand, bei welchem das Brennstoffzellensystem 10 in einem Zustand arbeitet, der sich vom Referenzzustand unterscheidet) des Brennstoffzellensystems 10 berechnet. Im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 10 wird Brenngas von der Brenngaszufuhrquelle 41 durch die Brenngasströmungsleitung 43 zur Anodenelektrode der Brennstoffzelle 20 geliefert, und Oxidationsgas wird durch die Oxidationsgasströmungsleitung 33 zur Kathodenelektrode der Brennstoffzelle 20 geliefert, wodurch die elektrische Stromerzeugung stattfindet. Zu diesem Zeitpunkt wird die elektrische Leistung (benötigte elektrische Leistung), die von der Brennstoffzelle 20 erzeugt werden soll, durch den Controller 60 berechnet, und Brenngas sowie Oxidationsgas werden der Brennstoffzelle 60 in einer Menge zugeführt, die der Menge der benötigten elektrischen Leistung entspricht. Der Controller 60 berechnet die Impedanz (Messwert β) der Brennstoffzelle 20 basierend auf der Spannung und dem Strom, die durch den Spannungssensor 71 und den Stromsensor 72 im Normalbetrieb erfasst werden.
Der Controller 60 hat eine Korrektwertberechnungseinheit 63, die einen Korrektwert bzw. berichtigten Wert oder korrigierten Wert γ der Impedanz durch Berichtigen des Messwerts β der im Normalbetrieb berechneten Impedanz basierend auf dem Referenzwert α der Impedanz, der im Referenzzustand berechnet wurde, berechnet. Die Korrektwertberechnungseinheit 63 dieser Ausführungsform berechnet den berichtigten Wert γ durch Addieren eines Werts, der durch Subtrahieren des Referenzwerts α von einem Nominalwert α₀ der Impedanz erhalten wird, zum Messwert β. Das bedeutet: Der berichtigte Wert γ wird durch den Ausdruck „γ = β + (α₀ – α)” berechnet. Der Nominalwert α₀ ist ein Impedanzwert, der als Konstruktionswert für einen Zustand angenommen wird, wenn Wasserstoff nicht fehlt. Beispielsweise ist zu diesem Zeitpunkt ein Strom 1 A/cm² und eine Spannung ist 0,8 V. Demgegenüber ist der Referenzwert α ein Impedanzwert der Brennstoffzelle 20 in einem Zustand, bei welchem der Referenzzustand gerade erzeugt wird, und eine Ausgangsspannung zu diesem Zeitpunkt ist nicht unbedingt konstant (beispielsweise 0,8 V bis 1,2 V).
Der Controller 60 hat eine Bestimmungseinheit 64, die feststellt, dass ein Wasserstoffmangel vorliegt, wenn der berichtigte Wert γ der Impedanz einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Der hier genutzte Grenzwert kann in geeigneter Weise entsprechend den Schutzerfordernissen der Brennstoffzelle 20 festgelegt werden.
Nachfolgend wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Wasserstoffmangels des Brennstoffzellensystems 10 gemäß der Ausführungsform bezugnehmend auf das Flussdiagramm aus 3 beschrieben.
Zunächst speichert der Controller 60 des Brennstoffzellensystems 10 als Referenzwert α einen Impedanzwert in einem Zustand (Referenzzustand), bei welchem Wasserstoffabgas aus der Brennstoffzelle 20 ausgetragen wird und Wasserstoffgas sowie Oxidationsgas zugeführt werden (Referenzwertspeicherschritt: S1). Dann berechnet der Controller 60 den Messwert β der Impedanz basierend auf der Spannung einer Mehrzahl von Zellengruppen der Brennstoffzelle 20 und dem Strom der Brennstoffzelle 20 beim Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 10 (Messwertberechnungsschritt: S2).
Anschließend berechnet der Controller 60 den berichtigten Wert γ der Impedanz durch Korrigieren bzw. Berichtigen des Messwerts β, der im Messwertberechnungsschritt S2 berechnet wurde, basierend auf dem Referenzwert α, der im Referenzwertspeicherschritt S1 gespeichert wurde (Korrektwertberechnungsschritt: S3). Zu diesem Zeitpunkt berechnet der Controller 60 den berichtigten Wert γ der Impedanz unter Verwendung des Berechnungsausdrucks „γ = β + (α₀ – α)” wie vorstehend beschrieben. Anschließend vergleicht der Controller 60 den korrigierten bzw. den berichtigten Wert γ, der im Korrektwertberechnungsschritt S3 berechnet wurde, mit dem vorgegebenen Grenzwert (Vergleichsschritt: S4) und bestimmt, dass ein Wasserstoffmangel vorliegt, wenn der berichtigte Wert γ den Grenzwert übersteigt (Bestimmungsschritt: S5). In einem Fall, bei welchem bestimmt wird, dass ein Wasserstoffmangel vorliegt, kann der Controller 60 einen Hinweis über das Auftreten eines Mangels an Wasserstoff mittels eines Geräusches, eines Bildes oder dergleichen unter Verwendung einer vorgegebenen Anzeigevorrichtung an einen Nutzer ausgeben.
Bei dem Controller 60 der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist es möglich, da es möglich ist, das Vorliegen oder Fehlen eines Wasserstoffmangels unter Verwendung der Impedanz zu bestimmen, die Anzahl der gleichzeitig zu überwachenden Zellen zu erhöhen. Darüber hinaus ist es möglich, festzustellen, ob ein Wasserstoffmangel vorliegt oder nicht, indem als Referenzwert α der Impedanzwert in einem Zustand gespeichert wird, bei welchem kein Wasserstoffmangel auftritt (ein Zustand, bei welchem Wasserstoffabgas aus der Brennstoffzelle 20 ausgetragen wird und Wasserstoffgas sowie Oxidationsgas zugeführt werden), und der berichtigte Wert γ, der durch Berichtigen des Messwerts der Impedanz unter Verwendung des Referenzwerts α erhalten wird, mit dem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird. Aus diesem Grund ist es möglich, einen Messfehler (einen von einer Einzelperson abhängigen Abweichungsfehler) aufgrund einer Zunahme des Messbereichs zu verringern. Es ist somit möglich, die Anzahl der gleichzeitig zu überwachenden Zellen zu erhöhen, ohne eine Abnahme der Messgenauigkeit zu verursachen.
Obgleich bei dieser Ausführungsform ein Beispiel zur Anwendung kommt, bei dem der berichtigte Wert γ unter Verwendung des Nominalwerts α₀ der Impedanz berechnet wird, ist der berichtigte Wert hierauf nicht beschränkt. Beispielsweise kann ein berichtigter Wert γ' (= β – α), der durch einfaches Subtrahieren des Referenzwerts α vom Messwert β der Impedanz berechnet wird, verwendet werden, und es kann bestimmt werden, ob ein Wasserstoffmangel vorliegt oder nicht, indem der berichtigte Wert γ' mit einem neuen Grenzwert (beispielsweise einem Grenzwert, der unter Berücksichtigung des Nominalwerts α₀ festgelegt wurde) verglichen wird.
Obgleich bei dieser Ausführungsform ein Beispiel beschrieben wurde, bei welchem der Messwert β unter Verwendung des Impedanzwerts (Referenzwerts α) im Referenzzustand berichtigt wird, bei dem kein Wasserstoffmangel auftritt, kann der Messwert β unter Bezugnahme auf andere Parameter berichtigt werden. Beispielsweise kann eine Abweichung eines Messsystems zum Zeitpunkt des Versands ermittelt werden, ein Korrekturkennfeld, das basierend auf dem Messergebnis erzeugt wurde, kann in einer Speichereinheit (beispielsweise einem EEPROM) gespeichert werden, und der Messwert β kann unter Bezugnahme auf das Korrekturkennfeld berichtigt werden.
Obgleich in dieser Ausführungsform das „Brennstoffzellenfahrzeug” als Beispiel für das bewegliche Objekt beschrieben wurde, kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem an verschiedenen anderen beweglichen Objekten (einem Roboter, einem Schiff, einem Flugzeug und dergleichen) als dem Brennstoffzellenfahrzeug montiert sein.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt und Anwandlungen der Ausführungsform, die von jenen mit entsprechendem Fachwissen bei Bedarf vorgenommen werden, gelten als vom Umfang der Erfindung umfasst, solange diese Abwandlungen die Merkmale der Erfindung aufweisen. Das bedeutet, die jeweiligen Elemente der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sowie die Anordnung, die Materialien, die Zustände, die Formen, die Größen und dergleichen dieser Elemente sind nicht auf das beschränkt, was gezeigt ist, sondern können in geeigneter Weise verändert werden. Zudem können die jeweiligen Elemente der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden, so lange eine derartige Kombination technisch möglich ist, und auch derlei Kombination gelten als vom Umfang der Erfindung umfasst, solange derlei Kombinationen die Merkmale der Erfindung aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/128555 A [0003]

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Wasserstoffmangels einer Brennstoffzelle mit einer Mehrzahl von Zellengruppen, wobei das Verfahren aufweist: Speichern eines Impedanzwerts in einem Zustand, bei dem Wasserstoffabgas aus der Brennstoffzelle (20) ausgetragen wird und Wasserstoffgas sowie Oxidationsgas zugeführt werden, als Referenzwert (α); Berechnen eines Messwerts (β) der Impedanz basierend auf einer Spannung der Zellengruppen und einem Strom der Brennstoffzelle (20); Berechnen eines berichtigten Wertes (γ) der Impedanz durch Berichtigen des Messwerts (β) basierend auf dem Referenzwert (α); und Bestimmen, dass ein Wasserstoffmangel vorliegt, wenn der berichtigte Wert (γ) einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.
Verfahren zum Bestimmen eines Wasserstoffmangels nach Anspruch 1, wobei der berichtigte Wert (γ) berechnet wird, indem ein Wert, der durch Subtrahieren des Referenzwerts (α) von einem Nominalwert der Impedanz erhalten wird, zum Messwert (β) addiert wird.
Vorrichtung zum Bestimmen eines Wasserstoffmangels einer Brennstoffzelle mit einer Mehrzahl von Zellengruppen, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Referenzwertspeichereinheit (61), die ausgestaltet ist, um einen Impedanzwert in einem Zustand, bei dem Wasserstoffabgas aus der Brennstoffzelle (20) ausgetragen wird und Wasserstoffgas sowie Oxidationsgas zugeführt werden, als Referenzwert (α) zu speichern; eine Messwertberechnungseinheit (62), die ausgestaltet ist, um einen Messwert (β) der Impedanz basierend auf einer Spannung der Zellengruppen und einem Strom der Brennstoffzelle (20) zu berechnen; eine Korrektwertberechnungseinheit (63), die ausgestaltet ist, um einen berichtigten Wert (γ) der Impedanz durch Berichtigen des Messwerts (β) basierend auf dem Referenzwert (α) zu berechnen; und eine Bestimmungseinheit (64), die ausgestaltet ist, um zu bestimmen, dass ein Wasserstoffmangel vorliegt, wenn der berichtigte Wert (γ) einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.
Vorrichtung zum Bestimmen eines Wasserstoffmangels nach Anspruch 3, wobei die Korrektwertberechnungseinheit (63) ausgestaltet ist, um den berichtigten Wert (γ) zu berechnen, indem ein Wert, der durch Subtrahieren des Referenzwerts (α) von einem Nominalwert der Impedanz erhalten wird, zum Messwert (β) addiert wird.